EP2274100A2 - Aufnahme für eine probe - Google Patents

Aufnahme für eine probe

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Publication number
EP2274100A2
EP2274100A2 EP09742161A EP09742161A EP2274100A2 EP 2274100 A2 EP2274100 A2 EP 2274100A2 EP 09742161 A EP09742161 A EP 09742161A EP 09742161 A EP09742161 A EP 09742161A EP 2274100 A2 EP2274100 A2 EP 2274100A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
receptacle
sample
wall
peltier element
peltier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09742161A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Nurnus
Axel Schubert
Fritz Volkert
Daniel HÖFERLIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Micropatent BV
Original Assignee
Micropelt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Micropelt GmbH filed Critical Micropelt GmbH
Publication of EP2274100A2 publication Critical patent/EP2274100A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/508—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/18—Means for temperature control
    • B01L2300/1805—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1822—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using Peltier elements

Definitions

  • the invention relates to a receptacle for a sample according to claim 1, a receptacle according to claim 25 and a receptacle according to claim 27.
  • the problem to be solved by the invention is to improve the accuracy of the temperature control of a chemical or biological sample and to accelerate the adjustment to the desired temperature.
  • a receptacle for a sample wherein the receptacle has at least one Peltier element for tempering the sample, which is integrated in a wall of the receptacle.
  • the sample is at least one chemical or biological substance which is introduced directly into the receptacle in solid or liquid form, the receptacle being in the form of a reaction vessel (eg in the manner of a test tube, a beaker or generally with a rectangular or round shape). for performing a chemical or biological reaction using the at least one chemical and / or at least one biological substance.
  • the receptacle has a hollow-cylindrical section or is substantially hollow-cylindrical, the diameter of the hollow-cylindrical section being e.g. is at most 3 cm and has a length of more than 20 cm in particular.
  • the wall thickness of the wall of the receptacle, in particular of the hollow cylindrical section, is e.g. Max. 1, 5 mm.
  • the hollow cylindrical section also has at one end a filling opening, via which the chemical and / or biological substance is to be filled into the receptacle.
  • the filling opening opposite the end of the hollow cylindrical section is followed in particular by a lower portion of the receptacle, which forms a bottom of the receptacle.
  • the lower portion tapers away from the hollow cylindrical portion and is e.g. conically shaped.
  • the lower section is rounded in shape of the bottom of a standard test tube.
  • the receptacle may be in the form of a reagent or beaker, it need not necessarily be made of glass;
  • the receptacle (or at least its wall with the integrated Peltier element) can also be made of a plastic (for example polyethylene, polycarbonate or polypropylene), in particular being made in one piece from a type of plastic.
  • the receptacle is formed from another material (for example made from a metal or from silicon) or at least comprises another material.
  • the wall of the receptacle into which the Peltier element is integrated, or the complete receptacle, is moreover manufactured in one piece, ie it does not consist of a plurality of non-positively, positively or materially connected parts.
  • the recording is designed, for example, for single use.
  • the sample may be a nucleic acid-containing substance and the receptacle may be designed to carry out the polymerase chain reaction (PCR), ie as so-called "tube” or "Eppendorf reaction vessel".
  • PCR polymerase chain reaction
  • Such a receptacle designed as a PCR reaction vessel has in particular a capacity of 0.5 to 5 ml.
  • such a receptacle also has a hollow-cylindrical section which has a maximum diameter of 1.5 cm.
  • the sample when conducting a polymerase chain reaction, it is important that the sample can be brought to the desired temperature accurately and quickly. This is achieved by the Peltier element integrated in the wall, since the proximity of the pebble element to the sample results in good thermal contact between the Peltier element and the sample. With the integrated Peltier element, it is thus possible to choose the wall thickness of the receptacle sufficiently thick in order to avoid outdiffusion of sample material without the thicker wall affecting the temperature of the sample.
  • the Peltier element can be operated both as a cooling and as a heating element. Switching from cooling to heating operation and vice versa takes place in particular by reversing the polarity of the voltage applied to the Peltier element.
  • the wall is integrally formed as already mentioned above, wherein it has an inner side which faces a volume which can be filled with the chemical and / or biological substance, and an outer side facing away from the inner side, which has a visible outer side Recording forms.
  • integral here means that the wall consists essentially only of a single material, for example glass or a plastic such as polyethylene.
  • the wall defines the receptacle, ie, a volume that can be filled with the chemical and / or biological substance, and may comprise a bottom of the receptacle and a side wall which projects from the bottom.
  • the Peltier element is integrated, for example, in the floor and / or in the side wall.
  • several Peltier elements can be provided, which are arranged, for example, all in the ground or all in the side wall.
  • at least one Peltier element is integrated into both the floor and the side wall.
  • the invention also includes took, which are not cup-shaped, but have a different shape (eg cup-shaped).
  • a "Peltier element integrated into the wall” also means that the Peltier element is only partially surrounded by the material of the wall, for example the Peltier element can project out of the wall with one section or with the wall that it comes into (physical) contact with the sample in the receptacle and thus allows a direct tempering of the sample, but that the Peltier element can also be essentially completely surrounded by the material of the wall For example, when the receptacle is being formed, it can be cast into the wall, which is possible in particular if the receptacle is formed from a plastic.
  • the Peltier element is a Peltier element produced by microtechnology (ie by thin-film technology).
  • Such miniaturized Peltier elements have, for example, an areal extent of 0.05 mm 2 to 100 mm 2 .
  • the height of such a microtechnologically produced Peltier element is for example in the range of about 100 microns to 2000 microns, in particular 500 microns to 1 100 microns.
  • the receptacle has means for generating a homogeneous temperature in the sample, wherein the means are thermally coupled on the one hand with the Peltier element and on the other hand with the sample.
  • the means increase the homogeneity of the temperature distribution generated in the sample compared to a temperature control, which takes place exclusively by the integrated Peltier elements.
  • the means comprise a wall-integrated element that is in thermal contact with the sample with a larger area than the integrated Peltier element (or the plurality of integrated Peltier elements).
  • the element may be a foil made of a good thermally conductive material, for example a metal, which is on the one hand coupled to the Peltier element and on the other hand, with a large surface in thermal contact with the sample in the recording.
  • the film can be arranged in the wall of the receptacle such that it projects out of the wall with a surface, so that the surface is in direct, ie physical, contact with the sample in the receptacle.
  • the receptacle has a plurality of Peltier elements, which are arranged along a circumference of the receptacle.
  • the Peltier elements can be integrated annularly in the side wall of the receptacle, wherein the distances between them can be particularly constant.
  • a peripheral contact element can be provided, via which the integrated Peltier elements can be electrically and / or thermally contacted.
  • the contact element can be designed annular and clamped for contacting the Peltier elements on the (for example rotationally symmetrical) side wall of the receptacle.
  • the receptacle may have a heating element in its upper area, which heats the upper side wall area of the receptacle, in order to avoid the formation of condensate there.
  • the "upper area” is the area of the receptacle in which an opening for filling the sample is provided.
  • a Peltier element or several Peltier elements can be arranged in the upper region of the receptacle.
  • the Peltier elements can in particular be operated so that a temperature gradient is generated in the upper region of the receptacle in order to prevent the formation of condensate.
  • At least two Peltier elements can be arranged and operated on the receptacle in such a way that a temperature gradient can be generated in the sample.
  • the Peltier elements can be operated differently, i. with different heating or cooling effect.
  • the receptacle has a plurality of Peltiere- elements, which are arranged depending on the shape of the receptacle so that a homogeneous temperature distribution in the sample can be generated.
  • Peltiere- elements which are arranged depending on the shape of the receptacle so that a homogeneous temperature distribution in the sample can be generated.
  • more Peltier elements can be provided in the upper (wider) region of the receptacle than in the lower (narrower) region.
  • an integrated into the wall sensor element for detecting the sample is additionally arranged, which cooperates with the Peltier element.
  • the sensor element is integrated into the Peltier element.
  • the temperature detected by the sensor element of the sample is in particular for Controlling the integrated Peltier element (or the more integrated Peltierelemen- te used).
  • the sensor element or the plurality of sensor elements and the Peltier element can be electrically connected to a controller.
  • the receptacle is formed as a structure (eg as a reaction chamber or transport channel) of a chemical and / or biological microchip and in particular as a component of a microfluidic structure ("lab-on-chip".)
  • a Peltier element In or on a substrate of the microchip is a Peltier element
  • the Peltier element can also serve to control the flow rate through a transport channel (eg, by local freezing or thawing of liquids in the channel).
  • a receptacle according to the invention for a sample in the form of at least one chemical and / or biological substance has a filling opening for filling the sample and a closure element for closing the filling opening, wherein a Peltier element for tempering the sample is integrated in the closure element.
  • the closure element is designed in the form of a detachable plug or lid.
  • the closure element is not detachably connected to the rest of the receptacle, e.g. in the form of a lid which is fastened with a portion to the rest of the receptacle or formed integrally with the rest of the receptacle.
  • the invention also relates to a device having a plurality of interconnected receptacles.
  • the receptacles of this device are each designed in the manner of an Eppendorf reaction vessel and are used e.g. connected by their edges, each surrounding a filling opening of the vessels.
  • such a device may also be formed in one piece.
  • the invention relates to a system having a receptacle as described above.
  • the system comprises a carrier device for the receptacle, which has electrical contacts, via which the Peltier element is electrically contactable.
  • the receptacle and the carrier device are geometrically matched to one another, so that the receptacle can be inserted into the carrier device (for example inserted), and the Peltier elements of the receptacle are automatically thermally and / or electrically contacted.
  • the carrier device can also have means for cooling the integrated Peltier element to increase its efficiency.
  • Figures 1 and 2A - 2C are sectional views relating to a system with a receptacle according to a first embodiment of the invention and a support device.
  • 3A and 3B show various views of a second embodiment of the receptacle
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment of the recording.
  • Figure 1 shows a system of a receptacle in the form of a container 1 for receiving a sample and a carrier device 2, on which the container 1 is arranged.
  • the container 1 has a wall 3 which comprises a bottom 31 of the container and a side wall 32 projecting from the bottom 31.
  • the container is rotationally symmetrical (frustoconical) formed.
  • the invention is not limited to rotationally symmetrical containers.
  • a Peltier element 4 is integrated, which is for tempering, i. for heating and / or cooling a sample 5 placed in the container 1.
  • the sample 5 is a liquid.
  • Figures 2A to 2C relate to different variants of the integration of the Peltier element 4 in the bottom 31.
  • the Peltier element 4 may be arranged so that it protrudes little or not at all from the wall of the bottom 31 ( Figure 2A).
  • the thickness of the soil in the region of the Peltier element is reduced; For example, by providing a recess (eg with sloping sides) in the bottom 31, so that the thickness of the material of the soil between the Peltier element 4 and the sample 5 arranged in the container is small. This allows a good thermal coupling of the Peltier element 4 with the sample 5.
  • the Peltier element 4 has on its underside (ie on its side facing away from the sample 5) contacts 41 a, 41 b for its electrical contact.
  • contacts 42a, 42b are provided, via which a sensor element integrated in the Peltier element 4 for temperature detection (not shown) can be electrically contacted.
  • a sensor element integrated in the Peltier element 4 for temperature detection (not shown) can be electrically contacted.
  • a plurality of sensor elements can be integrated into the Peltier element, wherein correspondingly more than two contacts can be provided.
  • at least one sensor element may also be present which is not integrated in the Peltier element but is arranged separately therefrom, for example in the wall of the receptacle.
  • the bottom 31 may also have such a small thickness in the region of the Peltier element 4 that the Peltier element 4 protrudes with a portion from the wall into the interior of the container 3 and thus a large part of one side of the Peltier element is in physical contact with the liquid 5 ( Figure 2B). If the thickness of the wall 3 in the bottom region 31 is reduced to such an extent that it corresponds to or is smaller than the height of the Peltier element 4, the entire side of the Peltier element 4 facing the interior of the container 3 is in direct contact with the liquid 5 Figure 2C shown.
  • the carrier device 2 comprises contact elements, via which the Peltier element is thermally and electrically contacted when the container 1 is arranged on the carrier device.
  • contacts may be provided which are electrically connected when arranging the container 1 on the support device 2 with the contacts 41 a, 41 b and / or 42 a, 42 b of the Peltier element 4.
  • the carrier device 2 has a cooling body 21 with a plurality of cooling ribs, which serves for cooling the side of the Peltier element 4 facing away from the sample to be tempered.
  • other cooling elements may also be used, e.g. Cooling elements having a cooling liquid.
  • FIG. 3A and 3B relate to an embodiment of the invention, according to which a plurality of Peltier elements 4 are integrated into the side wall 32 of the wall 3.
  • FIG. 3B shows a section through FIG. 3A.
  • a plurality of Peltier elements 4 are arranged along a circumference of the side wall 32 (compare in particular FIG. 3B).
  • the container 1 has no Peltier element in the bottom 31 here; Of course, Peltier elements may be arranged both in the bottom 31 and in the side wall 32.
  • the Peltier elements 4 are arranged annularly in the side wall 32, wherein they have constant distances from one another in order to achieve the most homogeneous possible temperature distribution in the sample 5.
  • a contact element in the form of an annular pressure contact 6 is clamped (pushed) onto the side wall 32 of the container 3.
  • the pressure contact 6 is used for thermal and / or electrical contacting of the integrated Peltier elements 4 and may have leading away from the container 1 line elements through which the Peltier elements, for example, with an electronic control unit (not shown) may be connected.
  • the pressure contact 6 can be realized for example as a flexible band.
  • the pressure contact 6 has means for cooling the Peltier elements 4 in the form of a plurality of cooling fins 61, which are arranged in the region of the Peltier elements 4.
  • FIG. 4 relates to a further embodiment of the container according to the invention.
  • a Peltier element 4 is integrated in the bottom 31 of the container wall 3.
  • an element in the form of a good heat-conducting film 7 is additionally integrated, which is in thermal contact with the liquid 5 with a larger area than the Peltier element 4.
  • the film 7 provides a more homogeneous temperature distribution in the liquid. 5
  • the film 7 is thermally (and mechanically) coupled to one side of the Peltier element 4 (see enlarged detail) and extends both in the bottom region 31 and in a portion of the side wall 32.
  • the film 7 is located just below the inner surface of the wall 3, so that a good heat transfer to the liquid 5 is ensured.
  • the film is integrated into the wall 3 so that it protrudes with a surface of the wall and is in direct, physical contact with the sample 5.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the container according to the invention.
  • Peltier elements 4 are integrated into the side wall 32 of the container 1, which are electrically and / or thermally contacted by a pressure contact 6.
  • a heating element 8 for heating this container is provided in the upper region of the container 3, ie in the region of the container in which there is an opening 33 for filling a sample.
  • area provided in the upper region of the container 3, ie in the region of the container in which there is an opening 33 for filling a sample.
  • a heating element 8 for heating this container is provided in the upper region of the container 3, ie in the region of the container in which there is an opening 33 for filling a sample.
  • the formation of condensate on the container can be reduced or avoided by way of the heating element 8.
  • a heating element 8 a resistance heating element or another Peltier element can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufnahme für eine Probe in Form mindestens einer chemischen und/oder biologischen Substanz, wobei die Aufnahme mindestens ein Peltierelement (4) zum Temperieren der Probe (5) aufweist, das in eine Wandung (3) der Aufnahme (1) integriert ist. Die Erfindung betrifft auch eine Aufnahme für eine Probe mit einer Einfüllöffnung zum Einfüllen der Probe und einem Verschlusselement zum Verschließen der Einfüllöffnung, wobei in das Verschlusselement ein Peltierelement zum Temperieren der Probe integriert ist.

Description

Aufnahme für eine Probe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Aufnahme für eine Probe nach Anspruch 1 , eine Aufnahme nach Anspruch 25 sowie eine Aufnahme nach Anspruch 27.
Es ist zum Beispiel aus der US 5,525,300 bekannt, Aufnahmen in Form von Behältern, die zur Aufnahme einer chemischen oder biologischen Probe dienen, an einem Heizblock anzuordnen, um die in den Behältern befindlichen Proben auf eine gewünschte Temperatur zu bringen.
Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, die Genauigkeit der Temperierung einer chemischen oder biologischen Probe zu verbessern und das Einstellen auf die gewünschte Temperatur zu beschleunigen.
Dieses Problem wird durch die Aufnahme mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch die Aufnahme mit den Merkmalen gemäß Anspruch 25 sowie durch die Aufnahme mit den Merkmalen gemäß Anspruch 27 gelöst. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den ab- hängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Aufnahme für eine Probe bereitgestellt, wobei die Aufnahme mindestens ein Peltierelement zum Temperieren der Probe aufweist, das in eine Wandung der Aufnahme integriert ist. Die Probe ist insbesondere mindestens eine chemische oder biologische Substanz, die in fester oder flüssiger Form unmittelbar in die Aufnahme eingefüllt wird, wobei die Aufnahme insbesondere in Form eines Reaktionsgefäßes (z.B. nach Art eines Reagenzglases, eines Becherglases oder allgemein mit einer rechteckigen oder runden Form) zum Durchführen einer chemischen oder biologischen Reaktion unter Verwendung der mindestens einen chemischen und/oder mindestens einen biologischen Substanz ausgebildet ist.
Beispielsweise weist die Aufnahme einen hohlzylindrischen Abschnitt auf oder ist im We- sentlichen hohlzylindrisch ausgebildet, wobei der Durchmesser des hohlzylindrischen Abschnitts z.B. maximal 3 cm beträgt und eine Länge von insbesondere maximal 20 cm aufweist. Die Wandstärke der Wandung der Aufnahme, insbesondere des hohlzylindrischen Abschnitts, beträgt z.B. max. 1 ,5 mm. Der hohlzylindrische Abschnitt weist darüber hinaus an einem Ende eine Einfüllöffnung auf, über den die chemische und/oder biologi- sehe Substanz in die Aufnahme einzufüllen ist.
Dem der Einfüllöffnung gegenüberliegenden Ende des hohlzylindrischen Abschnitts schließt sich insbesondere ein unterer Abschnitt der Aufnahme an, der einen Boden der Aufnahme ausbildet. Beispielsweise verjüngt sich der untere Abschnitt von dem hohlzy- lindrischen Abschnitt weg und ist z.B. konisch geformt. In einer anderen Variante ist der untere Abschnitt nach Art des Bodens eines Standardreagenzglases gerundet ausgeformt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Aufnahme zwar die Form eines Reagenz- oder Becherglases besitzen kann, sie jedoch nicht notwendigerweise aus Glas bestehen muss; beispielsweise kann die Aufnahme (bzw. zumindest deren Wandung mit dem integrierten Peltierelement) auch aus einem Kunststoff (z.B. Polyethylen, Polycarbonat oder Polypropylen) hergestellt sein, wobei sie insbesondere einstückig aus einer Kunststoffart besteht.
Es ist jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass die Aufnahme aus einem anderen Material (etwa aus einem Metall oder aus Silizium) gebildet ist oder zumindest ein anderes Material aufweist. Die Wandung der Aufnahme, in die das Peltierelement integriert ist, oder die komplette Aufnahme ist zudem insbesondere einstückig hergestellt, d.h. sie be- steht nicht aus einer Mehrzahl kraft-, form- oder stoffschlüssig miteinander verbundener Teile. Darüber hinaus ist die Aufnahme beispielsweise zur einmaligen Verwendung ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei der Probe um eine nukleinsäurehaltige Substanz handeln und die Aufnahme zur Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase chain reaction - PCR) ausgebildet sein, d.h. als sog. „Tube" bzw. „Eppendorf-Reaktionsgefäß". Eine derartige, als Reaktionsgefäß für die PCR ausgebildete Aufnahme weist insbesondere ein Fassungsvermögen von 0,5 bis 5 ml auf. Beispielsweise weist eine derartige Aufnahme zudem einen hohlzylindrischen Abschnitt auf, der einen Durchmesser von maximal 1 ,5 cm besitzt.
Insbesondere bei Durchführen einer Polymerase-Kettenreaktion ist wichtig, dass die Probe genau und schnell auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann. Dies wird durch das in die Wandung integrierte Peltierelement erreicht, da durch die Nähe des PeI- tierelementes zur Probe ein guter Wärmekontakt zwischen dem Peltierelement und der Probe besteht. Mit dem integrierten Peltierelement ist es somit möglich, die Wandstärke der Aufnahme ausreichend dick zu wählen, um ein Ausdiffundieren von Probenmaterial zu vermeiden, ohne dass die dickere Wandung die Temperierung der Probe beeinträchtigt.
Das Peltierelement kann sowohl als Kühl- als auch als Heizelement betrieben werden. Ein Umschalten von Kühl- auf Heizbetrieb und umgekehrt erfolgt insbesondere durch Umpolen der an das Peltierelement angelegten Spannung.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Wandung wie oben bereits erwähnt einstückig ausgebildet, wobei sie eine Innenseite, die einem mit der chemischen und/oder bio- logischen Substanz befüllbaren Volumen zugewandt ist, und eine der Innenseite abgewandte Außenseite aufweist, die eine sichtbare Außenseite der Aufnahme bildet. „Einstückig" bedeutet hier insbesondere, dass die Wandung im Wesentlichen nur aus einem einzigen Material besteht, z.B. Glas oder einem Kunststoff wie Polyethylen.
Die Wandung begrenzt die Aufnahme, d.h. ein mit der chemischen und/oder biologischen Substanz befüllbares Volumen, und kann einen Boden der Aufnahme und eine Seitenwand, die vom Boden absteht, umfassen. Das Peltierelement ist z.B. in den Boden und / oder in die Seitenwand integriert. Es können natürlich mehrere Peltierelemente vorgesehen sein, die z.B. sämtlich im Boden oder sämtlich in der Seitenwand angeordnet sind. In einer anderen Variante ist sowohl in den Boden als auch in die Seitenwand jeweils mindestens ein Peltierelement integriert. Die Erfindung umfasst darüber hinaus auch Auf- nahmen, die nicht becherförmig ausgebildet sind, sondern eine andere Form (z.B. schalenförmig) aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass unter einem „in die Wandung integrierten Peltierele- ment" auch verstanden wird, dass das Peltierelement nur abschnittsweise von dem Material der Wandung umgeben ist. Beispielsweise kann das Peltierelement mit einem Abschnitt so aus der Wandung herausstehen oder mit der Wandung abschließen, dass es in (physischen) Kontakt mit der in der Aufnahme befindlichen Probe kommt und somit eine direkte Temperierung der Probe ermöglicht. Das Peltierelement kann aber auch im We- sentlichen vollständig von dem Material der Wandung umgeben sein. Um das Peltierelement in die Wandung der Aufnahme zu integrieren kann es z.B. bei Herstellung der Aufnahme in die Wandung eingegossen werden. Dies ist insbesondere möglich, wenn die Aufnahme aus einem Kunststoff gebildet wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Peltierelement ein mikrotechnologisch (d.h. per Dünnschichttechnologie) erzeugtes Peltierelement. Derartige miniaturisierte Peltiere- lemente weisen beispielsweise eine Flächenausdehnung von 0,05 mm2 bis 100 mm2 auf. Die Höhe eines derartigen mikrotechnologisch erzeugten Peltierelementes liegt beispielsweise im Bereich von etwa 100 μm bis 2000 μm, insbesondere 500 μm bis 1 100 μm.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Aufnahme Mittel zum Erzeugen einer homogenen Temperatur in der Probe auf, wobei die Mittel einerseits mit dem Peltierelement und andererseits mit der Probe thermisch gekoppelt sind. Die Mittel erhöhen die Homogenität der in der Probe erzeugten Temperaturverteilung gegenüber einer Temperierung, die ausschließlich durch die integrierten Peltierelemente erfolgt.
Beispielsweise umfassen die Mittel ein in die Wandung integriertes Element, das mit einer größeren Fläche in thermischen Kontakt mit der Probe steht als das integrierte Peltie- relement (bzw. die mehreren integrierten Peltierelemente). Insbesondere kann das Element eine Folie aus einem gut wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel einem Metall, sein, die einerseits an das Peltierelement angekoppelt ist und andererseits mit einer großen Oberfläche in thermischen Kontakt mit der in der Aufnahme befindlichen Probe steht. Dazu kann die Folie so in der Wandung der Aufnahme angeordnet sein, dass sie mit ei- ner Oberfläche aus der Wandung herausragt, so dass die Oberfläche in unmittelbaren, d.h. physischem, Kontakt mit der Probe in der Aufnahme steht. In einer weiteren Ausführungsform weist die Aufnahme eine Mehrzahl von Peltier- elementen auf, die entlang eines Umfanges der Aufnahme angeordnet sind. Beispielsweise können die Peltierelemente ringförmig in die Seitenwand der Aufnahme integriert sein, wobei die Abstände zwischen ihnen insbesondere konstant sein können.
Darüber hinaus kann ein umlaufendes Kontaktelement vorgesehen sein, über das die integrierten Peltierelemente elektrisch und / oder thermisch kontaktiert werden können. Beispielsweise kann das Kontaktelement ringförmig ausgestaltet sein und zum Kontaktieren der Peltierelemente auf die (zum Beispiel rotationssymmetrische) Seitenwand der Aufnahme geklemmt werden.
Des Weiteren kann die Aufnahme in seinem oberen Bereich ein Heizelement aufweisen, das den oberen Seitenwandbereich der Aufnahme beheizt, um dort die Bildung von Kondensat zu vermeiden. Der „obere Bereich" ist der Bereich der Aufnahme, in dem eine Öffnung zum Einfüllen der Probe vorgesehen ist.
Anstelle oder zusätzlich zu dem Heizelement kann auch ein Peltierelement oder es können mehrere Peltierelemente im oberen Bereich der Aufnahme angeordnet werden. Die Peltierelemente können insbesondere so betrieben werden, dass ein Temperaturgradient im oberen Bereich der Aufnahme erzeugt wird, um die Bildung von Kondensat zu verhindern.
Allgemein können mindestens zwei Peltierelemente so an der Aufnahme angeordnet und betrieben werden, dass ein Temperaturgradient in der Probe erzeugbar ist. Insbesondere können die Peltierelemente unterschiedlich betrieben werden, d.h. mit unterschiedlicher Heiz- bzw. Kühlwirkung.
In einer weiteren Variante der Erfindung weist die Aufnahme eine Mehrzahl von Peltiere- lementen auf, die in Abhängigkeit von der Form der Aufnahme so angeordnet sind, dass eine homogene Temperaturverteilung in der Probe erzeugbar ist. Beispielsweise können bei einer konischförmigen Aufnahme im oberen (breiteren) Bereich der Aufnahme mehr Peltierelemente vorgesehen werden als im unteren (schmaleren) Bereich.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich ein in die Wandung integrier- tes Sensorelement zum Erfassen der Probe angeordnet, das mit dem Peltierelement zusammenwirkt. In einer Weiterbildung ist das Sensorelement in das Peltierelement integriert. Die vom Sensorelement erfasste Temperatur der Probe wird insbesondere zum Steuern des integrierten Peltierelementes (bzw. der mehreren integrierten Peltierelemen- te) verwendet. Dazu können das Sensorelement bzw. die mehreren Sensorelemente und das Peltierelement elektrisch mit einer Steuerung verbunden sein.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt ist die Aufnahme als Struktur (z.B. als Reaktionskammer oder Transportkanal) eines chemischen und/oder biologischen Mikrochips ausgebildet und insbesondere Bestandteil einer mikrofluidalen Struktur („Lab-on-chip"). In oder an einem Substrat des Mikrochips ist ein Peltierelement zum Temperieren der Probe angeordnet. Beispielsweise kann das Peltierelement auch zum Steuern des Durchsat- zes durch einen Transportkanal dienen (z.B. durch lokales Gefrieren oder Auftauen von Flüssigkeiten in dem Kanal).
Gemäß einem weiteren Aspekt weist eine erfindungsgemäße Aufnahme für eine Probe in Form mindestens einer chemischen und/oder biologischen Substanz eine Einfüllöffnung zum Einfüllen der Probe und ein Verschlusselement zum Verschließen der Einfüllöffnung auf, wobei in das Verschlusselement ein Peltierelement zum Temperieren der Probe integriert ist. Insbesondere ist das Verschlusselement in Form eines lösbaren Stopfens oder Deckels ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, dass das Verschlusselement nicht lösbar mit der übrigen Aufnahme verbunden ist, z.B. in Form eines Deckels, der mit ei- nem Abschnitt an der übrigen Aufnahme befestigt oder einstückig mit der übrigen Aufnahme ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl miteinander verbundener Aufnahmen. Insbesondere sind die Aufnahmen dieser Vorrichtung jeweils nach Art eines Eppendorf-Reaktionsgefäßes gestaltet und z.B. über ihre Ränder, die jeweils eine Einfüllöffnung der Gefäße umgeben, miteinander verbunden. Beispielsweise kann eine derartige Vorrichtung auch einstückig ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsvariante betrifft die Erfindung ein System, das eine wie oben beschriebene Aufnahme aufweist. Zudem umfasst das System eine Trägervorrichtung für die Aufnahme, die elektrische Kontakte aufweist, über die das Peltierelement elektrisch kontaktierbar ist. Insbesondere sind die Aufnahme und die Trägervorrichtung geometrisch aufeinander abgestimmt, so dass die Aufnahme zum Beispiel in die Trägervorrichtung eingesetzt (z.B. eingesteckt) werden kann und dabei die Peltierelemente der Aufnahme automatisch thermisch und / oder elektrisch kontaktiert werden. Des Weiteren kann die Trägervorrichtung auch Mittel zum Kühlen des integrierten Peltie- relementes aufweisen, um dessen Effizienz zu erhöhen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren anhand von Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und 2A - 2C Schnittansichten betreffend ein System mit einer Aufnahme gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und einer Trägervorrichtung;
Fig. 3A und 3B verschiedene Ansichten einer zweiten Ausführungsform der Aufnahme;
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Aufnahme; und
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Aufnahme.
Figur 1 zeigt ein System aus einer Aufnahme in Form eines Behälters 1 zur Aufnahme einer Probe und einer Trägervorrichtung 2, auf der der Behälter 1 angeordnet ist. Der Behälter 1 weist eine Wandung 3 auf, die einen Boden 31 des Behälters sowie eine vom Boden 31 abstehende Seitenwand 32 umfasst. Im dargestellten Beispiel ist der Behälter rotationssymmetrisch (kegelstumpfartig) ausgebildet. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch nicht auf rotationssymmetrische Behälter beschränkt.
In den Boden 31 des Behälters 1 ist ein Peltierelement 4 integriert, das zum Temperieren, d.h. zum Heizen und / oder Kühlen einer in dem Behälter 1 vorgelegten Probe 5 dient. Im Beispiel der Figur 1 ist die Probe 5 eine Flüssigkeit.
Die Figuren 2A bis 2C betreffen verschiedene Varianten der Integration des Peltier- elementes 4 in den Boden 31. Danach kann das Peltierelement 4 so angeordnet sein, dass es wenig oder gar nicht aus der Wandung des Bodens 31 herausragt (Figur 2A). Hier ist die Dicke des Bodens im Bereich des Peltierelementes verringert; z.B. durch Vorsehen einer Einbuchtung (z.B. mit schrägen Seiten) im Boden 31 , so dass die Dicke des Materials des Bodens zwischen dem Peltierelement 4 und der im Behälter angeordneten Probe 5 gering ist. Dies ermöglicht eine gute thermische Ankopplung des Peltierelementes 4 mit der Probe 5. Das Peltierelement 4 weist an seiner Unterseite (d.h. an seiner der Probe 5 abgewandten Seite) Kontakte 41a, 41 b zu seiner elektrischen Kontaktierung auf. Des Weiteren sind Kontakte 42a, 42b vorgesehen, über die ein in das Peltierelement 4 integriertes Sensorelement zur Temperaturerfassung (nicht dargestellt) elektrisch kontaktiert werden kann. Selbstverständlich können auch mehrere Sensorelemente in das Peltierelement integriert sein, wobei entsprechend mehr als zwei Kontakte vorgesehen sein können. Alternativ oder zusätzlich zu den integrierten Sensoren kann zudem mindestens ein Sensorelement vorhanden sein, das nicht in das Peltierelement integriert ist, sondern separat zu diesem angeordnet ist, z.B. in der Wandung der Aufnahme.
Der Boden 31 kann im Bereich des Peltierelementes 4 auch eine so geringe Dicke aufweisen, dass das Peltierelement 4 mit einem Abschnitt aus der Wandung in das Innere des Behälters 3 hineinragt und somit ein Großteil einer Seite des Peltierelementes mit der Flüssigkeit 5 in physischem Kontakt ist (Figur 2B). Wird die Dicke der Wandung 3 im Bodenbereich 31 soweit reduziert, dass sie in der Höhe des Peltierelementes 4 entspricht oder kleiner ist, so ist die gesamte dem Inneren des Behälters 3 zugewandte Seite des Peltierelementes 4 in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit 5. Dies ist in Figur 2C dargestellt.
Die Trägervorrichtung 2 umfasst Kontaktelemente, über die das Peltierelement thermisch und elektrisch kontaktiert wird, wenn der Behälter 1 auf der Trägervorrichtung angeordnet ist. Insbesondere können Kontakte vorgesehen sein, die beim Anordnen des Behälters 1 auf der Trägervorrichtung 2 mit den Kontakten 41 a, 41 b und / oder 42a, 42b des Peltierelementes 4 elektrisch verbunden werden. Zudem weist die Trägervorrichtung 2 einen Kühlkörper 21 mit einer Mehrzahl von Kühlrippen auf, der zum Kühlen der von der zu temperierenden Probe abgewandten Seite des Peltierelementes 4 dient. Alternativ oder zusätzlich zu einem Kühlkörper, der Kühlrippen aufweist, können auch andere Kühlelemente verwendet werden, z.B. Kühlelemente, die eine Kühlflüssigkeit aufweisen.
Die Figuren 3A und 3B betreffen eine Ausführungsform der Erfindung, wonach mehrere Peltierelemente 4 in die Seitenwand 32 der Wandung 3 integriert sind. Figur 3B zeigt einen Schnitt durch Figur 3A.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Mehrzahl von Peltierelementen 4 entlang eines Umfanges der Seitenwand 32 angeordnet (vgl. insbesondere Figur 3B).
Der Behälter 1 weist hier zwar kein Peltierelement im Boden 31 auf; selbstverständlich können jedoch Peltierelemente sowohl im Boden 31 als auch in der Seitenwand 32 angeordnet sein.
Die Peltierelemente 4 sind ringförmig in der Seitenwand 32 angeordnet, wobei sie kon- stante Abstände zueinander aufweisen, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Probe 5 zu erzielen.
Des Weiteren ist ein Kontaktelement in Form einer ringförmigen Druckkontaktierung 6 auf die Seitenwand 32 des Behälters 3 aufgeklemmt (aufgeschoben). Die Druckkontaktierung 6 dient zum thermischen und / oder elektrischen Kontaktieren der integrierten Peltierelemente 4 und kann vom Behälter 1 wegführende Leitungselemente aufweisen, über die die Peltierelemente zum Beispiel mit einer Steuerelektronik (nicht dargestellt) verbunden sein können. Die Druckkontaktierung 6 kann beispielsweise als flexibles Band realisiert sein. Zudem weist die Druckkontaktierung 6 Mittel zur Kühlung der Peltierelemente 4 in Form einer Mehrzahl von Kühlrippen 61 auf, die im Bereich der Peltierelemente 4 angeordnet sind.
Figur 4 betrifft eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters. Wie in Figur 1 ist ein Peltierelement 4 in den Boden 31 der Behälterwandung 3 integriert. In die Wandung 3 ist zusätzlich ein Element in Form einer gut wärmeleitenden Folie 7 integriert, das mit einer größeren Fläche in thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit 5 steht als das Peltierelement 4. Dadurch sorgt die Folie 7 für eine homogenere Temperaturverteilung in der Flüssigkeit 5.
Die Folie 7 ist thermisch (und mechanisch) mit einer Seite des Peltierelementes 4 gekoppelt (vgl. Ausschnittsvergrößerung) und erstreckt sowohl im Bodenbereich 31 als auch in einem Abschnitt der Seitenwand 32. Die Folie 7 befindet sich dicht unterhalb der inneren Oberfläche der Wandung 3, so dass ein guter Wärmeübergang zur Flüssigkeit 5 gewährleistet ist. In einer anderen Variante ist die Folie so in die Wandung 3 integriert, dass sie mit einer Oberfläche aus der Wandung herausragt und in direktem, physischem Kontakt mit der Probe 5 steht.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters zeigt Figur 5. Wie in Figur 3 sind Peltierelemente 4 in die Seitenwand 32 des Behälters 1 integriert, die mit einer Druckkontaktierung 6 elektrisch und/ oder thermisch kontaktiert sind. Im oberen Bereich des Behälters 3, d.h. in dem Bereich des Behälters, in dem sich eine Öffnung 33 zum Einfüllen einer Probe befindet, ist ein Heizelement 8 zum Beheizen dieses Behälter- bereiches vorgesehen. Über das Heizelement 8 lässt sich insbesondere die Bildung von Kondensat am Behälter reduzieren bzw. vermeiden. Als Heizelement 8 kann ein Widerstandsheizelement oder ein weiteres Peltierelement verwendet werden.
Es versteht sich, dass die in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Elemente auch miteinander kombiniert werden können. Zum Beispiel können die Behälter der Figuren 2 bis 5 auch mit der in Figur 1 dargestellten Trägervorrichtung 2 kombiniert werden.
* * * * *
Bezugszeichenliste
1 Behälter
2 Trägervorrichtung
3 Wandung
4 Peltierelement
5 Probe
6 Druckkontaktierung
7 Element
8 Heizvorrichtung
21 Kühlkörper
31 Boden
32 Seitenwand
61 Kühlrippe

Claims

Patentansprüche
1. Aufnahme für eine Probe in Form mindestens einer chemischen und/oder biologischen Substanz, gekennzeichnet durch mindestens ein Peltierelement (4) zum Temperieren der Probe (5), das in eine Wandung (3) der Aufnahme (1 ) integriert ist.
2. Aufnahme nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) ein mit der chemischen und/oder biologischen Substanz befüllbares Volumen begrenzt.
3. Aufnahme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) einen Boden (31 ) der Aufnahme (1 ) und eine Seitenwand (32), die vom Boden (31 ) absteht, umfasst, wobei mindestens ein Peltierelement (4) in den Boden (31 ) und / oder mindestens ein Peltierelement (4) in die Seitenwand (32) integriert ist.
4. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) zumindest abschnittsweise aus der Wandung (3) hervorsteht oder mit der Wandung (3) abschließt.
5. Aufnahme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) vollständig von der Wandung (3) umgeben ist.
6. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) ein mikrotechnologisch erzeugtes Peltierelement ist.
7. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen einer homogenen Temperatur in der Probe (5), wobei die Mittel einerseits mit dem Peltierelement (4) und andererseits mit der Probe (5) thermisch gekoppelt sind.
8. Aufnahme nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel ein in die Wandung (3) integriertes Element umfassen, das mit einer größeren Fläche in thermischem Kontakt mit der Probe (5) steht als das Peltierelement (4).
9. Aufnahme nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine gut wärmeleitende Folie (7) ist.
10. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Peltierelementen (4), die entlang eines Umfanges der Aufnahme (1 ) angeordnet sind.
1 1. Aufnahme nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein die Aufnahme (1 ) umlaufendes Kontaktelement (6) zum elektrischen und / oder thermischen Kontaktieren der Peltierelemente (4).
12. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Heizelement (8) im oberen Bereich der Aufnahme (1 ).
13. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Peltierelemente (4), die so angeordnet sind und betrieben werden können, dass ein Temperaturgradient in der Probe erzeugbar ist.
14. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Peltierelementen (4), die in Abhängigkeit von der Form der Aufnahme so angeordnet sind, dass eine homogene Temperaturverteilung in der Probe erzeugbar ist.
15. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in die Wandung (3) integriertes Sensorelement zum Erfassen der Temperatur der Probe (5), das mit dem Peltierelement (4) zusammenwirkt.
16. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) einstückig ausgebildet ist und eine Innenseite, die einem mit der chemischen und/oder biologischen Substanz befüllbaren Volumen der Aufnahme zugewandt ist, und eine der Innenseite abgewandte Außenseite aufweist, die eine sichtbare Außenseite der Aufnahme bildet.
17. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie becher- oder schalenförmig ausgebildet ist.
18. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Stück hergestellt ist.
19. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (4) zumindest abschnittsweise in die Wandung (3) eingegossen ist.
20. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Polyethylen, Polycarbonat oder Polypropylen besteht.
21. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form eines Reaktionsgefäßes zum Durchführen einer chemischen und/oder biologischen Reaktion ausgebildet ist.
22. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hohlzylindrischen Abschnitt mit einer Öffnung zum Einfüllen der biologischen und/oder chemischen Substanz aufweist.
23. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie nach Art eines Eppendorf-Reaktionsgefäßes zum Durchführen der Polyme- rasekettenreaktion ausgebildet ist.
24. Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung eine Wandstärke von maximal 1 ,5 mm aufweist.
25. Aufnahme für eine Probe in Form mindestens einer chemischen und/oder biologischen Substanz, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit ei- ner Einfüllöffnung zum Einfüllen der Probe und einem Verschlusselement zum Verschließen der Einfüllöffnung, gekennzeichnet durch ein in das Verschlusselement integriertes Peltierelement zum Temperieren der Probe.
26. Vorrichtung mit einer Mehrzahl miteinander verbundener Aufnahmen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
27. Aufnahme für eine Probe in Form mindestens einer chemischen und/oder biologischen Substanz, wobei die Aufnahme in Form einer Struktur eines chemischen und/oder biologischen Mikrochips ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an einem Substrat des Mikrochips ein Peltierelement zum Temperieren einer in der Aufnahme befindlichen Probe angeordnet ist.
28. Aufnahme nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eine in dem Substrat ausgebildete Reaktionskammer oder ein Transportkanal ist.
29. System mit einer Aufnahme nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Trägervorrichtung (2) für die Aufnahme (1 ), die elektrische Kontakte aufweist, über die das integrierte Peltierelement (4) elektrisch kontaktierbar ist.
30. System nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (2) Mittel zum Kühlen des Peltierelementes (4) aufweist.
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