WO2003061381A1 - Kryospeichereinrichtung mit transponder - Google Patents

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WO2003061381A1
WO2003061381A1 PCT/EP2003/000615 EP0300615W WO03061381A1 WO 2003061381 A1 WO2003061381 A1 WO 2003061381A1 EP 0300615 W EP0300615 W EP 0300615W WO 03061381 A1 WO03061381 A1 WO 03061381A1
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Heiko Zimmermann
Günter FUHR
Rolf Hagedorn
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01N2035/00782—Type of codes reprogrammmable code

Definitions

  • the invention relates to methods for operating a cryogenic storage device which is set up for the storage and / or preservation of, in particular, biological samples, and in particular to methods for data transmission during cryogenic storage, and cryogenic storage devices for carrying out such methods.
  • Cryostorage is a well known technique for storing and / or preserving samples with a temperature sensitive life or stability, such as biological samples.
  • a temperature sensitive life or stability such as biological samples.
  • storage is preferably carried out at the temperature of liquid nitrogen or in an atmosphere of nitrogen vapor.
  • transponder systems are increasingly replacing the conventional identification of objects using barcodes.
  • Applications are known, for example, in automated production (automotive industry), in surveillance technology (access control), in live animal identification or in the tracking of transport routes (e.g. for courier services).
  • Transponders with a wide variety of designs tailored to the respective application are known (for an overview, for example, see K. Finkenzeller "RFID Manual”, Hanser-Verlag, Kunststoff, 2000).
  • transponder designates a transmitting and receiving device that shows a reaction after a received and evaluated request, eg. B. gives an answer.
  • a transponder comprises a resonance circuit and an integrated circuit with a data memory (e.g. EEPROM).
  • the resonance circuit is tuned to a specific transmission or reception frequency (e.g. 62 kHz).
  • the transponder is an electromagnetic alternating field with another, for. B. exposed to double frequency (z.
  • Transponders typically have a range of approx. 80 cm.
  • the circuit typically also includes a voltage regulator, a frequency divider and an encoder.
  • the advantages of transponders are their miniaturization and access security.
  • space-saving transponders in film form are known.
  • Authentication and encryption methods are known for realizing access security.
  • One problem with transponder systems is that their transfer function is sensitive to the ambient conditions. For example, metallic materials and strong electromagnetic external fields in the area can extend the range of transponders to approx. Limit 20 cm. For this reason, the use of transponder systems has so far been limited to the tasks enumerated above with sufficiently manageable environmental conditions.
  • the object of the invention is to provide improved methods with which the disadvantages of conventional cryostorage methods mentioned are overcome and which have a simplified handling and an expanded area of application.
  • methods according to the invention are intended to enable quick and secure access to sample data regardless of the operating state of a cryogenic storage device.
  • the object of the invention is also to provide devices for implementing the methods.
  • the basic idea of the invention is to transmit data with at least one resonance circuit inductively between at least one data memory, which is provided on a sample carrier for receiving at least one sample, and a wireless transmission channel in a method for cryostoring, in particular biological samples.
  • the combination according to the invention of a data storage device for cryogenic storage with a resonance circuit advantageously achieves the above-mentioned object in that a large number of cryogenic storage devices can be operated simultaneously under cryogenic conditions and the associated data can be written and / or read without a special connection of the cryogenic storage device. devices on an optical transmission link or bus connection must be provided.
  • Data can be transferred in the cooled state of the sample under conditions that are identical to the specific storage conditions.
  • the transmission of data can advantageously take place at temperatures below -40 ° C.
  • the resonance circuit is formed by an induction element, via which the data storage device can interact with the electromagnetic transmission channel.
  • the data are transmitted using a transponder which contains the data memory as transponder memory and the resonance circuit.
  • transponders known per se can surprisingly be used under extreme operating conditions, such as for cryopreservation. This applies in particular to operation at a temperature below -60 ° C or below and in cooling containers for holding cooling media. Cooling containers are complex, often multi-walled vessels, in the interior of which at least one transponder system is operated according to the invention.
  • the transpon the memory can advantageously take over the function of the data memory for sample data, so that the structure of the cryostorage device is simplified.
  • the transponder supplies the data memory, an additional data processing unit and / or a further functional element of the cryostorage device with energy.
  • the functional element can e.g. B. a measuring element or an actuating element for manipulation (processing or treatment) of a cryoprobe.
  • the resonance circuit is connected via the electromagnetic transmission channel to a transmission antenna, from which the data are transmitted to a control and evaluation device.
  • a transmission antenna is preferably used jointly by a large number of cryostorage devices according to the invention, the resonance circuits of which are matched to the transmission antenna.
  • the transmission antenna is advantageously arranged permanently or temporarily in or on the edge of a cooling container for receiving a multiplicity of cryogenic storage devices.
  • the data transmitted according to the invention preferably include sample data with which the sample is identified and characterized, process data which are characteristic of the sample's previous storage conditions, control data with which predetermined operating states of the cryostorage device are set or triggered, and / or additional data, such as, for. B. Personal data and diagnostic results.
  • sample data with which the sample is identified and characterized
  • process data which are characteristic of the sample's previous storage conditions
  • control data with which predetermined operating states of the cryostorage device are set or triggered
  • additional data such as, for. B. Personal data and diagnostic results.
  • the invention also relates to a cryostorage device, in particular for storing biological samples in the frozen state, which comprises at least one sample carrier for receiving at least one sample and at least one data store, at least one resonance circuit being provided and being set up for this purpose, To transmit data inductively from the data storage device into an electromagnetic transmission channel and / or vice versa.
  • the resonance circuit is part of a transponder which comprises a data memory and the resonance circuit.
  • the data memory is exclusively a transponder memory, as is known per se from conventional transponders, or a data memory that fulfills both functions of a transponder memory and a sample data memory.
  • the data memory can thus advantageously perform several functions.
  • the construction of a cryogenic storage device is simplified.
  • the data memory can also be integrated in a data processing unit, which is assigned to a sample carrier.
  • the invention also relates to a cryostorage system with a multiplicity of cryostorage devices, each of which has the structure mentioned.
  • the cryogenic storage system is also equipped with a transmission antenna, which is jointly coordinated with all cryogenic storage devices, and a control and evaluation device. Data can be transmitted between the control and evaluation device and a data memory in each case via the associated resonant circuit and the transmission antenna, which is connected to the control and evaluation device in a wired or wireless manner.
  • the cryogenic storage system is preferably arranged in a thermally insulated container for holding a cooling medium, in particular liquid nitrogen.
  • the invention has the following further advantages.
  • the invention has a high adaptability to the specific task. There are the possibilities to (i) clearly identify samples (identification) and to read the identification information without contact (read transponder only), (ii) to store data directly on or on the sample without having to use a separate wired power supply at the Sample is required, and (iii) to be able to read and write data without contact and possibly under cryogenic conditions (read / write transponder).
  • a contactless power supply can be provided for the first time for a sensor (measuring device) present on the cryogenic storage device (passive transponder).
  • the contactless or contactless implementation of data transmission and power supply provides new advantages that were not available in previous transponder applications.
  • Access to the cryoprobe with high-frequency electromagnetic fields can be achieved through protective packaging (e.g. through photo lien) and thermal insulation can be provided.
  • the contactless operation prevents a lifetime limitation due to wear, corrosion or contamination. There is a high level of reliability, so that despite a possibly high number of write and / or read operations on the data memory, the longevity of the cryoprobe is guaranteed for years.
  • Inductive access to sample data is possible in particular in the cryopreserved state of the sample.
  • the non-contact operation also avoids any potential heating effect that could result from the wired or optical writing of information in conventional techniques.
  • the stability of the cryoprobe is increased.
  • the invention enables the operation of cryogenic storage systems with a large number of cryogenic storage devices.
  • Transponders can be used for mass production with high efficiency.
  • the transponder systems allow a highly parallel operation, which is particularly advantageous for the acquisition of many samples or search functions.
  • FIG. 1 a schematic illustration of an embodiment of a cryogenic storage device according to the invention
  • Figure 2 another embodiment of a cryogenic storage device according to the invention
  • Figure 3 is a schematic illustration of a cryogenic storage system according to the invention with a plurality of cryogenic storage devices.
  • a cryostorage device 100 comprises a sample carrier 10 for receiving at least one sample 11, a data memory 20 and a resonance circuit 30 which is connected to the data memory 20 and the sample carrier 10.
  • the sample carrier 10 is connected to the data memory 20, as described, for example, in the above-mentioned, unpublished patent applications.
  • the samples 11 are preferably formed by biological samples. There are preferably miniaturized samples with characteristic volumes in the nl to ul range, each containing a sample suspension and biological material such as. B. cells, cell components, macromolecules, microorganisms, viruses or the like. Contain. Reference samples of biological or synthetic origin can also be provided on the sample carrier 10.
  • the data memory 20 also forms a carrier for the resonant circuit 30, which in the example shown comprises four induction loops 31, which are set up for transmitting and / or receiving high-frequency electromagnetic vibrations in the kHz range (or of their higher harmonics).
  • the induction loops 31 are connected to the data memory 20, as is known per se from conventional transponders.
  • the at least one resonance frequency range of the resonance circuit 30 forms a transmission channel 40 for high-frequency electromagnetic vibrations for data transmission between the cryogenic storage device 100 and a transmission antenna 50.
  • the transmission antenna 50 in turn is wired or wirelessly connected to a control and evaluation device 60 or integrated therein.
  • the reference numeral 70 refers to a cryocontainer, which contains at least one cryogenic storage device 100 and a cooling medium and forms thermal insulation from the surroundings.
  • the transmission antenna 50 can also be arranged in the cryocontainer 70 (see FIG. 3).
  • the data memory 20 is, for example, an EEPROM or a so-called flash memory, which is set up for permanent data storage, and is equipped with a microcontroller.
  • the data memory 20 can also be combined with a data processing device. Both components can be provided as a common integrated circuit that is connected to the sample carrier 10.
  • the induction loops 31 of the resonant circuit 30 are preferably integrated according to the known coil-on-chip method as a transponder antenna directly on the semiconductor material of the data memory 20 or the encapsulation of a microchip which contains the data memory 20 and possibly a data processing device.
  • An additional insulator layer can be provided to isolate the resonant circuit 30 from the data memory 20.
  • the sample carrier 10 can be arranged on a transponder known per se with the data memory 20 (transponder memory) and the resonant circuit 30. In a departure from the illustration in FIG. 1, the samples 11 can also be arranged next to the resonant circuit 30 or on the opposite side of the data memory 20.
  • the sample carrier 10 comprises tubular chambers for receiving samples (see DE 101 44 925).
  • the sample chambers are attached to a frame 12, which is attached to the encapsulation of an integrated circuit 21 or is incorporated into the encapsulation.
  • the integrated circuit 21 contains a sample data memory.
  • a transponder 32 with the resonance circuit and a data memory is attached to the sample chambers. With this design, there is no connection between the transponder 32 and the sample data memory. The transponder 32 is used exclusively for the identification of the samples.
  • an electrical connection can also be formed between the transponder 31 and the circuit 21.
  • cryogenic storage devices 100 are used in accordance with the following principles.
  • the sample data memory which is part of the data memory 20
  • the sample data include, for example, measured values that were determined in advance on the biological samples, as well as information about the origin and properties of the samples.
  • the data can be written in before the cryopreservation via the resonance circuit 30. Alternatively, the data transfer takes place only after cryopreservation.
  • cryopreservation involves transferring the cryogenic storage device 100 into a cooling medium of reduced temperature, such as e.g. B. in liquid nitrogen or its vapor.
  • the cryogenic storage device can also be at least partially in contact with the cooling medium during the loading of samples and can have a correspondingly reduced temperature.
  • the cryogenic storage device 100 is stored in the cooling medium. Storage takes place, for example, in a cooling container 70 (see FIG. 3). Further data can be transferred to the data memory 20 during storage.
  • the data include, for example, process data which are characteristic of the storage conditions of the sample, further measurement data which were obtained from the donor organism of the preserved samples and / or control data.
  • the process data include, for example, temperature characteristics that are recorded with temperature sensors in the cryocontainer or in the environment and are stored contactlessly in the data memory 20.
  • the control data contain, for example, information with which predetermined measurement or manipulation procedures can be triggered on the sample.
  • the measurement of a characteristic sample parameter can be carried out from outside to determine the storage condition of a sample by means of a start command.
  • the measurement is carried out on the cryopreserved sample in the frozen state or alternatively on a locally thawed partial sample.
  • the respective measured values are stored in the data memory 20.
  • data can also be transferred in the opposite direction to the evaluation and control device 60 (reading) on the cryosaving device.
  • the data transmission is preferably carried out for transmission protocols as are known per se from telemetric applications of transponders. Telemetric transponders are based on data transmission in the form of electrical quantities (e.g. frequency, phase, amplitude), which have a predetermined relationship with the data to be transmitted.
  • the write and read processes can advantageously also be integrated into a feedback mechanism.
  • measured values from temperature sensors are initially stored in the data memory 20.
  • the stored data are read out at certain time intervals and used to regulate an external temperature control.
  • the sample is thus actively involved in the cryopreservation, cooling and / or thawing process in accordance with the locally acting storage conditions.
  • locally determined measured values can be used to control local thawing of samples or sample parts in accordance with predetermined temperature profiles or for the treatment or processing of samples, possibly in the locally thawed state.
  • Changes to the sample carrier 10 can also be brought about with the control data.
  • control data are sent to predetermined cryostorage devices which cause a mechanical change on the sample carrier.
  • the mechanical change can, for example, include thermal detachment of part of the sample carrier.
  • the control data can also be used to trigger diagnostic methods on the cryopreserved or locally thawed samples.
  • FIG. 3 shows a cryostorage system 200 according to the invention with a multiplicity of cryostorage devices 100, which are each formed, for example, in accordance with the embodiments shown in FIG. 1 or 2.
  • Every cryopreservation facility device 100 comprises a sample carrier 10 with a data memory 20, which are connected to a resonant circuit 30.
  • the cryogenic storage devices 100 are arranged in the cooling container 70, the outer wall of which is only partially shown for reasons of clarity.
  • the cryogenic storage devices 100 are used, for example, in a shelf system with compartments. Access to cryostorage devices 100 or to samples arranged thereon takes place through a lock 71 which is provided in the container wall.
  • a transmission antenna 50 and a sensor device 80 are also provided in the cryocontainer 70.
  • the transmission antenna 50 is connected in a wireless or wired manner to the control and evaluation device 60, which is preferably integrated in the wall of the cooling container 70.
  • the device 60 contains, in particular, a display screen (preferably with a data input option, for example a so-called touchscreen screen) and a signal device 62 with which the operating states of the cryogenic storage system 200 can be signaled acoustically or optically.
  • the device 60 also includes an interface 63, via which a further wireless connection or networking with a central controller is formed.
  • the cryopreservation with a system according to FIG. 3 takes place, for example, in the vapor of liquid nitrogen.
  • the liquid nitrogen is filled into the cooling container 70 as the cooling medium 90.
  • a schematically illustrated filling device 73 is provided in the container volume above the cooling medium 90.
  • a temperature of approx. -120 ° C to - 170 ° C is also possible.
  • cooling system 200 is an autonomous unit.
  • the cooler ter 70 is in itself operational and mobile without permanently attached connecting cables.
  • the cooling container 70 can be moved on wheels 72, for example.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Kryospeichereinrichtung (100), insbesondere für biologische Proben beschrieben, die einen Probenträger (10) zur Aufnahme mindestens einer Probe (11) und einen Datenspeicher (20) umfasst, wobei Daten mit einem Resonanzkreis (30), der mit dem Datenspeicher (20) verbunden ist, induktiv vom Datenspeicher (20) in einen drahtlosen Übertragungskanal (40) und/oder umgekehrt übertragen werden.

Description

KRYOSPEICHEREINRICHTUNG MIT TRANSPONDER
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betrieb einer Kryospei- chereinrichtung, die zur Lagerung und/oder Konservierung von insbesondere biologischen Proben eingerichtet ist, und insbesondere Verfahren zur Datenübertragung bei der Kryospeiche- rung, sowie Kryospeichereinrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren.
Die Kryospeicherung ist eine allgemein bekannte Technik zur Lagerung und/oder Konservierung von Proben mit einer temperaturempfindlichen Lebensdauer oder Stabilität, wie zum Beispiel biologischen Proben. Je nach der konkreten Aufgabe werden tierische oder pflanzliche Produkte, Organe von Lebewesen oder Teile biologischer Systeme, wie z. B. Zellen, Zellbestandteile, Makromoleküle, Mikroorganismen, Viren, oder dgl. in einen Zustand reduzierter Temperatur überführt und gelagert. Zur Konservierung über lange Zeiträume erfolgt vorzugsweise eine Lagerung bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs oder in einer Atmosphäre von Stickstoffdampf.
In den am Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung unveröffentlichten Patentanmeldungen DE 100 60 889 und DE 101 44 925 werden Einrichtungen zur Kryospeicherung mikroskopisch kleiner biologischer Proben beschrieben. Bei diesen ist insbesondere vorgesehen, die Proben in einer Kryospeichereinrich- tung jeweils gemeinsam mit Probendaten abzulegen, die für die zugehörigen Proben charakteristisch sind. Es besteht ein Interesse, die Probendaten in Datenspeichern zu lesen oder zu ergänzen, während sich die Probe im kryokonservierten Zustand befindet. Je nach dem Prinzip der Speicherung der Probedaten müssen bisher ein Datenbus-gebundener oder ein optischer Zugriff auf den Datenspeicher realisiert werden. Dies stellt ggf. einen Nachteil dar, da die Handhabbarkeit der Kryospeicherung einschränkt sein kann.
In der Datenübertragungstechnik ersetzen Transpondersysteme zunehmend die herkömmliche Identifikation von Gegenständen mittels Strichcodes. Anwendungen sind beispielsweise in der automatisierten Fertigung (Automobilindustrie) , in der Überwachungstechnik (Zutrittskontrolle) , in der Lebend-Tier- Identifikation oder bei der Transportweg-Verfolgung (z. B. bei Kurierdiensten) bekannt. Es sind Transponder mit den verschiedensten, auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Bauformen bekannt (Übersicht z. B. siehe K. Finkenzeller "RFID- Handbuch", Hanser-Verlag, München, 2000) .
Der Begriff Transponder benennt als Abkürzung aus "transmit- ter" und "responder" eine Sende- und Empfangseinrichtung, die nach einer empfangenen und ausgewerteten Anfrage eine Reaktion zeigt, z. B. eine Antwort erteilt. Allgemein umfasst ein Transponder einen Resonanzkreis und einen integrierten Schaltkreis mit einem Datenspeicher (z. B. EEPROM) . Eine Datenübertragung vom Datenspeicher (Transponderspeicher) über einen drahtlosen Übertragungskanal beispielsweise zu einer zentralen Steuerung erfolgt durch Verwendung des Resonanzkreises als Sende- oder Empfangsantenne. Der Resonanzkreis ist auf eine bestimmte Sende- oder Empfangsfrequenz (z. B. 62 kHz) abgestimmt. Zur Energieversorgung insbesondere während des Schreib-/Lese-Vorganges wird der Transponder einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einer anderen, z. B. doppelten Frequenz (z. B. 124 kHz) ausgesetzt, mit dem im Resonanzkreis ein Strom induziert wird. Transponder besitzen typischerweise eine Reichweite von rd. 80 cm. Der Schaltkreis enthält typischerweise auch einen Spannungsregler, einen Frequenzteiler und einen Codierer. Vorteile von Transpondern bestehen in deren Miniaturisierbar- keit und ZugriffSicherheit . Es sind beispielsweise platzsparende Transponder in Folienform (sogenannte Smart-Label, wie die "Tag-It"-Transponder von Texas Instruments) bekannt. Zur Realisierung der ZugriffSicherheit sind Authentifizierungsund Verschlüsselungsverfahren bekannt. Ein Problem von Transpondersystemen besteht aber darin, dass deren Übertragungsfunktion empfindlich von den Umgebungsbedingungen abhängig ist. Beispielsweise metallische Materialien und starke e- lektromagnetische Fremdfelder in der Umgebung können die Reichweite von Transpondern auf rd. 20 cm begrenzen. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Transpondersystemen bisher auf die oben aufgezählten Aufgaben mit ausreichend gut beherrschbaren Umgebungsbedingungen beschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren bereitzustellen, mit denen die genannten Nachteile herkömmlicher Kryospeicherverfahren überwunden werden und die eine vereinfachte Handhabbarkeit und einen erweiterten Anwendungsbereich besitzen. Erfindungsgemäße Verfahren sollen insbesondere einen schnellen und sicheren Zugriff auf Probendaten unabhängig vom Betriebszustand einer Kryospeichereinrichtung ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Umsetzung der Verfahren bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 9 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Grundidee der Erfindung ist es, bei einem Verfahren zur Kryospeicherung insbesondere von biologischen Proben, Daten mit mindestens einem Resonanzkreis induktiv zwischen mindestens einem Datenspeicher, der an einem Probenträger zur Aufnahme mindestens einer Probe vorgesehen ist, und einem drahtlosen Übertragungskanal zu übertragen. Die erfindungsgemäße Kombination eines Datenspeichers für die Kryospeicherung mit einem Resonanzkreis löst die genannte Aufgabe vorteilhafterweise insbesondere dadurch, dass eine Vielzahl von Kryospei- chereinrichtungen gleichzeitig unter Kryobedingungen betrieben und die zugehörigen Daten geschrieben und/oder gelesen werden können, ohne dass ein besonderer Anschluss der Kryospeiche- reinrichtungen an eine optische Übertragungsstrecke oder Busverbindung vorgesehen sein muss. Daten können im gekühlten Zustand der Probe unter Bedingungen übertragen werden, die zu den konkreten Lagerbedingungen identisch sind. Vorteilhafterweise kann die Übertragung von Daten bei Temperaturen unterhalb von -40 °C erfolgen. Allgemein wird der Resonanzkreis durch ein Induktionselement gebildet, über das der Datenspeicher mit dem elektromagnetischen Übertragungskanal wechselwirken kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Daten mit einem Transponder übertragen, der den Datenspeicher als Transponderspeicher und den Resonanzkreis enthält. Der Erfinder hat erstmalig festgestellt, dass an sich bekannte Transponder überraschenderweise unter extremen Betriebsbedingungen wie bei der Kryokonservierung verwendbar sind. Dies gilt insbesondere für einen Betrieb bei einer Temperatur unterhalb von -60 °C oder darunter und in Kühlbehältern zur Aufnahme von Kühlmedien. Kühlbehälter sind komplex aufgebaute, oft mehrwandige Gefäße, in deren Innern erfindungsgemäß mindestens ein Transpondersystem betrieben wird. Der Transpon- derspeicher kann vorteilhafterweise die Funktion des Datenspeichers für Probendaten übernehmen, so dass sich der Aufbau der Kryospeichereinrichtung vereinfacht.
Besondere Vorteile in Bezug auf einen vereinfachten Aufbau ergeben sich, wenn mit dem Transponder der Datenspeicher, eine zusätzliche Datenverarbeitungseinheit und/oder ein weiteres Funktionselement der Kryospeichereinrichtung mit Energie versorgt werden. Das Funktionselement kann z. B. ein Messelement oder ein Betätigungselement zur Manipulation (Bearbeitung oder Behandlung) einer Kryoprobe sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Resonanzkreis über den elektromagnetischen Übertragungskanal mit einer Übertragungsantenne verbunden, von der die Daten an eine Steuer- und Auswertungseinrichtung übertragen werden. Vorzugsweise wird eine Übertragungsantenne von einer Vielzahl erfindungsgemäßer Kryospeicherein- richtungen gemeinsam verwendet, deren Resonanzkreise auf die Übertragungsantenne abgestimmt sind. Dabei wird die Übertragungsantenne vorteilhafterweise dauerhaft oder zeitweilig im oder am Rand eines Kühlbehälters zur Aufnahme einer Vielzahl von Kryospeichereinrichtungen angeordnet.
Die erfindungsgemäß übertragenen Daten umfassen vorzugsweise Probendaten, mit denen die Probe identifiziert und charakterisiert wird, Verfahrensdaten, die für bisherige Lagerbedingungen der Probe charakteristisch sind, Steuerdaten, mit denen vorbestimmte Betriebszustände der Kryospeichereinrichtung eingestellt oder ausgelöst werden, und/oder Zusatzdaten, wie z. B. persönliche Daten und diagnostische Resultate. Die Anwendbarkeit der Erfindung geht weit über die herkömmliche Identifizierungsfunktion von Transpondern hinaus und stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Transponderanwendungen dar. Es können gemäß besonderen Ausführungsformen erfindungsgemäß sogar Regelkreise implementiert werden, bei denen die Probendaten Messwerte enthalten, die an den Proben in der Kryospeichereinrichtung gewonnen worden sind, und die Steuerdaten mit der Steuer- und Auswertungseinrichtung in Abhängigkeit von den Messwerten eingestellt wird.
Ein Gegenstand der Erfindung ist auch eine Kryospeichereinrichtung, insbesondere zur Speicherung biologischer Proben im gefrorenen Zustand, die mindestens einen Probenträger zur Aufnahme mindestens einer Probe und mindestens einen Datenspeicher umfasst, wobei mindestens ein Resonanzkreis vorgesehen ist, der mit dem Datenspeicher verbunden und dazu eingerichtet ist, Daten induktiv vom Datenspeicher in einen elektromagnetischen Übertragungskanal und/oder umgekehrt zu übertragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kryospeichereinrichtung ist der Resonanzkreis Teil eines Transponders, der einen Datenspeicher und den Resonanzkreis umfasst. Der Datenspeicher ist ausschließlich ein Transpon- derspeicher, wie er von herkömmlichen Transpondern an sich bekannt ist, oder ein Datenspeicher, der beide Funktionen eines Transponderspeichers und eines Probendatenspeichers erfüllt. Der Datenspeicher kann somit vorteilhafterweise mehrere Funktionen erfüllen. Der Aufbau einer Kryospeichereinrichtung wird vereinfacht. Der Datenspeicher kann auch in eine Datenverarbeitungseinheit integriert sein, die jeweils einem Probenträger zugeordnet ist. Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Kryospeichersystem mit einer Vielzahl von Kryospeichereinrichtungen, die jeweils den genannten Aufbau besitzen. Das Kryospeichersystem ist ferner mit einer Übertragungsantenne, die gemeinsam auf alle Kryospeichereinrichtungen abgestimmt ist, und einer Steuer- und Auswertungseinrichtung ausgestattet. Zwischen der Steuer- und Auswertungseinrichtung und jeweils einem Datenspeicher sind Daten über den zugeordneten Resonanzkreis und die Übertragungsantenne übertragbar, die mit der Steuer- und Auswertungseinrichtung leitungsgebunden oder drahtlos verbunden ist. Das Kryospeichersystem ist vorzugsweise in einem thermisch isolierten Behälter zur Aufnahme eines Kühlmediums, insbesondere flüssigen Stickstoffs angeordnet.
Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Die Erfindung besitzt eine hohe Anpassungsfähigkeit an die konkrete Aufgabenstellung. Es bestehen die Möglichkeiten, (i) Proben eindeutig zu kennzeichnen (Identifikation) und die Identifizierungsinformation berührungslos auszulesen (nur Lese-Trans- ponder) , (ii) Daten direkt an oder auf der Probe zu speichern, ohne dass eine eigene leitungsgebundene Stromversorgung an der Probe erforderlich ist, und (iii) Daten berührungslos und ggf. unter Kryobedingungen lesen und schreiben zu können (Schreib- Lese-Transponder) . Des Weiteren kann erstmalig eine berührungslose Stromversorgung für eine an der Kryospeichereinrichtung vorhandene Sensorik (Messeinrichtung) bereitgestellt werden (passive Transponder) .
Die kontakt- oder berührungslos implementierte Datenübertragung und Energieversorgung liefert neue Vorteile, die bei früheren Anwendungen von Transpondern nicht gegeben waren. So kann der Zugriff auf die Kryoprobe mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern durch Schutzverpackungen (z. B. durch Fo- lien) und thermische Isolierungen hindurch bereitgestellt werden. Die berührungslose Operation verhindert eine Lebensdauerbegrenzung durch Abnutzung, Korrosion oder Verschmutzung. Es ist eine hohe Ausfallsicherheit gegeben, so dass trotz einer ggf. hohen Anzahl von Schreib- und/oder Lesevorgängen am Datenspeicher eine Langlebigkeit der Kryoprobe im Bereich von Jahren garantiert ist. Der induktive Zugriff auf Probendaten ist insbesondere im kryokonservierten Zustand der Probe möglich.
Die berührungslose Operation vermeidet auch jeden potentiellen Heizeffekt, der durch das leitungsgebundene oder optische Einschreiben von Informationen bei herkömmlichen Techniken entstehen könnte. Die Stabilität der Kryoprobe wird erhöht.
Die Erfindung ermöglicht den Betrieb von Kryospeichersystemen mit einer großen Anzahl von Kryospeichereinrichtungen. Transponder können bei Massenfertigung mit hoher Wirtschaftlichkeit verwendet werden. Die Transpondersysteme erlauben eine hochgradig parallele Operation, was insbesondere für eine Erfassung von vielen Proben oder Suchfunktionen von Vorteil ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Illustration einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kryospeichereinrichtung,
Figur 2: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kryospeichereinrichtung, und Figur 3: eine schematische Illustration eines erfindungsgemäßen Kryospeichersystems mit einer Vielzahl von Kryo-speichereinrichtungen.
Eine erfindungsgemäße Kryospeichereinrichtung 100 umfasst gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 einen Probenträger 10 zur Aufnahme mindestens einer Probe 11, einen Datenspeicher 20 und einen Resonanzkreis 30, der mit dem Datenspeicher 20 und dem Probenträger 10 verbunden ist. Der Probenträger 10 ist mit dem Datenspeicher 20 verbunden, wie es beispielsweise in den oben genannten, unveröffentlichten Patentanmeldungen beschrieben ist. Die Proben 11 werden vorzugsweise durch biologische Proben gebildet. Es sind vorzugsweise miniaturisierte Proben mit charakteristischen Volumen im nl- bis μl-Bereich vorgesehen, die jeweils eine Probensuspension und biologisches Material wie z. B. Zellen, Zellbestandteile, Makromoleküle, Mikroorganismen, Viren oder dgl. enthalten. Auf dem Probenträger 10 können auch Referenzproben biologischen oder synthetischen Ursprungs vorgesehen sein.
Der Datenspeicher 20 bildet auch einen Träger für den Resonanzkreis 30, der beim dargestellten Beispiel vier Induktionsschleifen 31 umfasst, die auf das Senden und/oder Empfangen hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen im kHz-Bereich (oder von deren höheren Harmonischen) eingerichtet sind. Die Induktionsschleifen 31 sind mit dem Datenspeicher 20 verbunden, wie es an sich von herkömmlichen Transpondern bekannt ist.
Der mindestens eine Resonanz-Frequenzbereich des Resonanzkreises 30 bildet einen Übertragungskanal 40 für hochfrequente elektromagnetische Schwingungen zur Datenübertragung zwischen der Kryospeichereinrichtung 100 und einer Übertragungsantenne 50. Die Übertragungsantenne 50 ist ihrerseits leitungsgebunden oder drahtlos mit einer Steuer- und Auswertungseinrichtung 60 verbunden oder in diese integriert. Das Bezugszeichen 70 verweist auf einen Kryobehälter, der mindestens eine Kryospeichereinrichtung 100 und ein Kühlmedium enthält und eine thermische Isolation gegenüber der Umgebung bildet. Die Übertragungsantenne 50 kann auch im Kryobehälter 70 angeordnet sein (siehe Figur 3) .
Der Datenspeicher 20 ist beispielsweise ein EEPROM oder ein sog. Flash-Speicher, der zur dauerhaften Datenspeicherung eingerichtet ist, und mit einem Mikrocontroller ausgestattet. Der Datenspeicher 20 kann auch mit einer Datenverarbeitungseinrichtung kombiniert sein. Beide Komponenten können als gemeinsamer integrierter Schaltkreis bereitgestellt werden, der mit dem Probenträger 10 verbunden ist.
Die Induktionsschleifen 31 des Resonanzkreises 30 werden vorzugsweise nach dem an sich bekannten Coil-on-Chip-Verfahren als Transponderantenne direkt auf dem Halbleitermaterial des Datenspeichers 20 oder der Verkapselung eines Mikrochips integriert, der den Datenspeicher 20 und ggf. eine Datenverarbeitungseinrichtung enthält. Zur Isolation des Resonanzkreises 30 gegenüber dem Datenspeicher 20 kann eine zusätzliche Isolatorschicht vorgesehen sein. Der Probenträger 10 kann erfindungsgemäß auf einem an sich bekannten Transponder mit dem Datenspeicher 20 (Transponderspeicher) und dem Resonanzkreis 30 angeordnet sein. Abweichend von der Darstellung in Figur 1 können die Proben 11 auch neben dem Resonanzkreis 30 oder auf der entgegengesetzten Seite des Datenspeichers 20 angeordnet sein. Weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Kryospeichereinrichtung sind beispielhaft in Figur 2 illustriert. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Probenträger 10 schlauchförmige Kammern zur Aufnahme von Proben (siehe DE 101 44 925) . Die Probenkammern sind an einem Rahmen 12 befestigt, der auf der Verkapselung eines integrierten Schaltkreises 21 befestigt oder in die Verkapselung eingearbeitet ist. Der integrierte Schaltkreis 21 enthält einen Probendatenspeicher. Auf den Probenkammern ist ein Transponder 32 mit dem Resonanzkreis und einem Datenspeicher befestigt. Bei dieser Gestaltung besteht keine Verbindung zwischen dem Transponder 32 und dem Probendatenspeicher. Der Transponder 32 dient hier ausschließlich der Identifizierung der Proben. Die Strom- und Datenversorgung des Schaltkreises 21 erfolgt hingegen über separate Anschlussleitungen 22, mit denen der Datenspeicher beispielweise in einer Fassung steckt, über die eine Verbindung mit einem Steuerkreis hergestellt wird. Alternativ kann auch eine elektrische Verbindung zwischen dem Transponder 31 und dem Schaltkreis 21 gebildet sein.
Im praktischen Einsatz werden die Kryospeichereinrichtungen 100 gemäß den Figuren 1 oder 2 entsprechend den folgenden Prinzipien verwendet. Nach einer Beschickung des Probenträgers 10 mit biologischen Proben, z. B. Zellsuspensionen, erfolgt ein Beschreiben des Probendatenspeichers, der Teil des Datenspeichers 20 ist, mit Probendaten, mit denen die Proben identifiziert und charakterisiert werden. Die Probendaten umfassen beispielsweise Messwerte, die vorab an den biologischen Proben ermittelt wurden, sowie Informationen über die Herkunft und Eigenschaften der Proben. Das Einschreiben der Daten kann bereits vor der Kryokonservierung über den Resonanzkreis 30 erfolgen. Alternativ erfolgt die Datenübertragung erst nach der Kryokonservierung. Allgemein umfasst die Kryokonservierung die Übertragung der Kryospeichereinrichtung 100 in ein Kühlmedium reduzierter Temperatur, wie z. B. in flüssigen Stickstoff oder dessen Dampf. Die Kryospeichereinrichtung kann auch schon während der Beschickung mit Proben zumindest teilweise mit dem Kühlmedium in Kontakt sein und eine entsprechend reduzierte Temperatur aufweisen.
Im kryokonservierten Zustand wird die Kryospeichereinrichtung 100 im Kühlmedium gelagert. Die Lagerung erfolgt beispielsweise in einem Kühlbehälter 70 (siehe Figur 3) . Während der Lagerung können weitere Daten auf den Datenspeicher 20 übertragen werden. Die Daten umfassen beispielsweise Verfahrensdaten, die für die Lagerbedingungen der Probe charakteristisch sind, weitere Messdaten, die am Spenderorganismus der konservierten Proben gewonnen wurden und/oder Steuerdaten. Die Verfahrensdaten umfassen beispielsweise Temperaturkennlinien, die mit Temperatursensoren im Kryobehälter oder der Umgebung erfasst und kontaktlos im Datenspeicher 20 gespeichert werden. Die Steuerdaten enthalten beispielsweise Informationen, mit denen an der Probe vorbestimmte Mess- oder Manipulationsprozeduren ausgelöst werden können. Beispielsweise kann von außen zur Ermittlung des Lagerzustands einer Probe durch einen Startbefehl die Messung eines charakteristischen Probenparameters durchgeführt werden. Die Messung erfolgt an der kryokonservierten Probe im gefrorenen Zustand oder alternativ an einer lokal aufgetauten Teilprobe. Die jeweiligen Messwerte werden im Datenspeicher 20 gespeichert. Neben der genannten Datenübertragung hin zum Datenspeicher 20 (Schreiben) kann an der Kryospeichereinrichtung auch eine Datenübertragung in umgekehrter Richtung hin zur Auswertungs- und Steuereinrichtung 60 erfolgen (Lesen) . Die Datenübertragung erfolgt vorzugsweise nach Übertragungsprotokollen, wie sie von telemetrischen Anwendungen von Transpondern an sich bekannt sind. Telemetrische Transponder basieren auf der Datenübertragung in Form elektrischer Größen (z. B. Frequenz, Phase, Amplitude), die in vorbestimmtem Zusammenhang mit den zu übertragenden Daten stehen.
Die Schreib- und Lesevorgänge können vorteilhafterweise auch in einen Rückkopplungs-Mechanismus integriert werden. Bei diesen werden zunächst Messwerte von Temperatursensoren im Datenspeicher 20 abgelegt. Die gespeicherten Daten werden in bestimmten Zeitabständen ausgelesen und zur Regelung einer externen Temperatursteuerung verwendet. Damit wird die Probe entsprechend den lokal wirkenden Lagerungsbedingungen aktiv in den Prozess der Kryokonservierung, des Abkühlens und/oder des Auftauens einbezogen. Umgekehrt können lokal ermittelte Messwerte zur Steuerung eines lokalen Auftauens von Proben oder Probenteilen entsprechend vorbestimmten Temperaturprofilen oder zur Behandlung oder Bearbeitung von Proben, ggf. im lokal aufgetauten Zustand, verwendet werden.
Mit den Steuerdaten können auch Veränderungen am Probenträger 10 bewirkt werden. Beispielsweise zur Entnahme von Teilproben werden Steuerdaten an vorbestimmte Kryospeichereinrichtungen geschickt, die eine mechanische Veränderung am Probenträger bewirken. Die mechanische Veränderung kann beispielsweise ein thermisches Ablösen eines Teils des Probenträgers umfassen. Mit den Steuerdaten können auch Diagnoseverfahren an den kryokonservierten oder lokal aufgetauten Proben ausgelöst werden.
In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes Kryospeichersystem 200 mit einer Vielzahl von Kryospeichereinrichtungen 100 gezeigt, die jeweils beispielsweise gemäß den in Figur 1 oder 2 gezeigten Ausführungsformen gebildet sind. Jede Kryospeichereinrich- tung 100 umfasst einen Probenträger 10 mit einem Datenspeicher 20, die mit einem Resonanzkreis 30 verbunden sind. Die Kryospeichereinrichtungen 100 sind im Kühlbehälter 70 angeordnet, dessen äußere Wand aus Übersichtlichkeitsgründen nur teilweise gezeigt ist. Die Kryospeichereinrichtungen 100 sind beispielsweise in einem Regalsystem mit Fächern eingesetzt. Der Zugriff auf Kryospeichereinrichtungen 100 oder auf diesen angeordnete Proben erfolgt durch eine Schleuse 71, die in der Behälterwand vorgesehen ist. Im Kryobehälter 70 sind des Weiteren eine Übertragungsantenne 50 und eine Sensoreinrichtung 80 vorgesehen. Die Übertragungsantenne 50 ist drahtlos oder leitungsgebunden mit der Steuer- und Auswertungseinrichtung 60 verbunden, die vorzugsweise in die Wand des Kühlbehälters 70 integriert ist. Die Einrichtung 60 enthält insbesondere einen Anzeigebildschirm (vorzugsweise mit einer Dateneingabemöglichkeit, beispielsweise einem sogenannten Touchscreen-Bildschirm) und eine Signaleinrichtung 62, mit der akustisch oder optisch Betriebszustände des Kryospeichersystems 200 signalisiert werden können. Die Einrichtung 60 umfasst auch eine Schnittstelle 63, über die eine weitere drahtlose Verbindung oder Vernetzung mit einer Zentralsteuerung gebildet wird.
Die Kryokonservierung mit einem System gemäß Figur 3 erfolgt beispielsweise im Dampf flüssigen Stickstoffs. Der flüssige Stickstoff ist als Kühlmedium 90 in den Kühlbehälter 70 eingefüllt. Hierzu ist eine schematisch illustrierte Einfülleinrichtung 73 vorgesehen. Im Behältervolumen oberhalb des Kühlmediums 90 bildet sich eine Temperatur von rd. -120 °C bis - 170 °C aus. Alternativ ist auch eine Einbettung aller Kryospeichereinrichtungen 100 in das Kühlmedium 90 möglich.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Kühlsystem 200 eine autarke Einheit darstellt. Der Kühlbehäl- ter 70 ist an sich ohne dauerhaft angebrachte Anschlussleitungen betriebsfähig und beweglich. Der Kühlbehälter 70 kann beispielsweise auf Rädern 72 bewegt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer Kryospeichereinrichtung (100), insbesondere für biologische Proben, die einen Probenträger (10) zur Aufnahme mindestens einer Probe (11) und einen Datenspeicher (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Daten mit einem Resonanzkreis (30) , der mit dem Datenspeicher (20) verbunden ist, induktiv vom Datenspeicher (20) in einen drahtlosen Übertragungskanal (40) und/oder umgekehrt übertragen werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Daten mit einem Transponder übertragen werden, der den Datenspeicher (20) und den Resonanzkreis (30) umfasst.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem mit dem Resonanzkreis (30) der Datenspeicher (20) und/oder eine Datenverarbeitungseinheit mit Energie versorgt werden.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Resonanzkreis über den Übertragungskanal (40) mit einer Übertragungsantenne (50) verbunden ist, von der die Daten an eine Steuer- und Auswertungseinrichtung (60) übertragen werden.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Datenübertragung erfolgt, während die mindestens eine Probe (11) sich in einem kryokonservierten Zustand befindet.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit dem Resonanzkreis (30) Daten übertragen werden, die Probendaten, mit denen die Probe (11) identifiziert und charakterisiert wird, Verfahrensdaten, die für bisherige Lagerbe- dingungen der Probe charakteristisch sind, und/oder Steuerdaten umfassen, mit denen vorbestimmte Betriebszustände der Kryospeichereinrichtung eingestellt oder ausgelöst werden.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Probendaten Messwerte enthalten, die an den Proben oder den Kryospeichereinrichtung gewonnen worden sind, und die Steuerdaten mit der Steuer- und Auswertungseinrichtung (60) in Abhängigkeit von den Messwerten eingestellt werden.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Übertragung von Daten bei Temperaturen unterhalb von -40 °C erfolgt.
9. Kryospeichereinrichtung (100), insbesondere zur Kryospeicherung biologischer Proben im gefrorenen Zustand, die mindestens einen Probenträger (10) zur Aufnahme mindestens einer Probe (11) und mindestens einen Datenspeicher (20) umfasst, gekennzeichnet durch mindestens einen Resonanzkreis (30), der mit dem Datenspeicher (20) verbunden und dazu eingerichtet ist, Daten induktiv vom Datenspeicher (20) in einen drahtlosen Übertragungskanal (40) und/oder umgekehrt zu übertragen.
10. Kryospeichereinrichtung gemäß Anspruch 9, bei der der Resonanzkreis (30) Teil eines Transponders ist, der den Datenspeicher (20) und den Resonanzkreis (30) umfasst.
11. Kryospeichereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der ein gesonderter Probendatenspeicher vorgesehen ist.
12. Kryospeichereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis
11, die eine Datenverarbeitungseinheit enthält, in die der Datenspeicher (20) integriert ist.
13. Kryospeichereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis
12, bei der eine Übertragungsantenne (50) und eine Steuer- und Auswertungseinrichtung (60) vorgesehen sind, wobei Daten zwischen dem Datenspeicher (20) und der Steuer- und Auswertungseinrichtung (60) über den Resonanzkreis (30) und die Übertragungsantenne (50) übertragbar sind.
14. Kryospeichereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis
13, bei der der Probenträger (10) , der Datenspeicher (20) und der Resonanzkreis (30) in einem thermisch isolierten Behälter (70) zur Aufnahme eines Kühlmediums, insbesondere flüssigen Stickstoffs angeordnet sind.
15. Kryospeichersystem (200), das eine Vielzahl von Kryospeichereinrichtungen gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14 enthält.
16. Kryospeichersystem gemäß Anspruch 15, bei dem die Kryospeichereinrichtungen in einem Kryobehälter (70) mit einer Übertragungsantenne (50) und einer Steuer- und Anzeigeeinrichtung angeordnet sind.
17. Kryospeichersystem gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, das mit einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder Dampf flüssigen Stickstoffs ausgestattet ist.
18. Verwendung von telemetrischen Transpondern zur Datenübertragung in einer Kryospeichereinrichtung für biologische Proben.
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