WO2019081259A1 - Reaction carrier for a microfluidic device and method for determining a nucleotide sequence - Google Patents

Reaction carrier for a microfluidic device and method for determining a nucleotide sequence

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WO2019081259A1
WO2019081259A1 PCT/EP2018/078140 EP2018078140W WO2019081259A1 WO 2019081259 A1 WO2019081259 A1 WO 2019081259A1 EP 2018078140 W EP2018078140 W EP 2018078140W WO 2019081259 A1 WO2019081259 A1 WO 2019081259A1
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primers
capture
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Jochen Hoffmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
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    • B01L2300/0896Nanoscaled

Definitions

  • Reaction carrier for a microfluidic device and method for
  • microfluidic devices also called lab-on-a-chips
  • the invention relates to a reaction carrier for a microfluidic device for determining a nucleotide sequence.
  • the reaction carrier comprises at least a first recess and a second recess, wherein in the first recess first capture primer and in the second recess second capture primer are immobilized on a solid phase.
  • the first capture primers are different from the second capture primers.
  • the reaction carrier may in particular be a substrate, for example a
  • Plastic substrate include. Under a recess can be understood in particular a depression in a surface of the reaction carrier.
  • the nucleotide sequence is in particular a sequence of
  • nucleotides of a nucleotide strand or nucleic acid fragment of a nucleotide strand are nucleotides of a nucleotide strand or nucleic acid fragment of a nucleotide strand.
  • a virus in particular a virus, a bacterium or a unicellular.
  • Sequencing methods are understood as described above, in particular a sequencing-by-synthesis method. Both
  • Capture primers are, in particular, nucleotide strands which are designed to bind the nucleotide strands to be sequenced.
  • the capture primers are further designed for amplification of the nucleotide strands to be sequenced, in particular for one
  • the reaction support advantageously allows the amplification of the nucleotide strands to be sequenced, in particular by carrying out a PCR, on the reaction support, ie directly on a solid phase, to what
  • a sequencing on the solid phase can be carried out immediately afterwards.
  • the resulting PCR product is attached to the immobilized capture primer.
  • the too sequencing nucleotide strands are immobilized during PCR by binding to the capture primers and thus advantageously provided at a given location, namely at the site of the solid phase, for subsequent sequencing.
  • Nucleotide strands also allow easy removal of no longer required reaction components, especially by rinsing the solid phase. Furthermore, it is of particular advantage that no specific probes for detecting the nucleotide strands must be provided, but identification via the sequencing of the nucleotide strands bound to the capture primers is possible. In particular, it is advantageously possible to recognize known DNA signatures and also point mutations in such signatures.
  • the immobilized and different capture primers also advantageously allow parallel and spatially resolved sequencing and identification of different nucleotide strands.
  • the reaction carrier may preferably comprise further recesses with further immobilized capture primers, wherein the further capture primers may be partially identical and in part different from each other. This advantageously increases an effectiveness and efficiency or a parallelism of the determination of the nucleotide sequences.
  • a solid phase can be understood as meaning a material, a substance or a composition of materials and / or substances in a solid state of matter, including gels, in particular agarose gels or hydrogels.
  • the solid phase may be connected to the reaction carrier, in particular, the
  • Solid phase to be part of the reaction carrier.
  • the solid phase preferably comprises at least part of a wall or a bottom of the first and / or the second recess.
  • the solid phase can comprise particles, in particular magnetic particles, which can advantageously be immobilized with respect to the solid phase with the aid of a magnet.
  • magnetic particles can be understood as meaning particles having a magnetic or magnetizable material, for example paramagnetic polymer particles.
  • the use of particles as a solid phase has the advantage that at
  • Nucleotide strands a contact surface between the solid phase and the sample is greater than when using a planar phase, which provides for increased and thus improved reaction kinetics due to shortened diffusion paths.
  • the use of magnetic particles as a solid phase also has the advantage that, on the one hand, the particles can be retained by a magnetic force at well-defined and thus easily distinguishable locations in the microfluidic device.
  • the immobilized nucleotide strands can be transported to any location via magnetic actuation, for example for subsequent processing or analysis. Furthermore, it is advantageous that rinsing of the particulate solid phase can be carried out more effectively in comparison to a planar solid phase
  • the solid phase comprises porous material, wherein the first and / or the second capture primer are immobilized in pores of the porous material.
  • At least one of the recesses contains further primers for the determination of the nucleotide sequence in unbound form, in particular in dried form.
  • the further primers are preferably designed to support the PCR for the amplification of the nucleotide strands which bind to the capture primer.
  • the further primers are at least partially identical to primers for the PCR of these nucleotide strands.
  • the further primers in the first recess or in the second recess are at least partially identical to the first or the second catcher primer. For example, a sequence of the further primer in the first recess or in the second recess with a
  • Partial sequence starting at the 3 'end of the first or second capture primer identical.
  • Partial sequence starting at the 3 'end of the first or second capture primer identical.
  • Partial sequence starting at the 3 'end of the first or second capture primer identical.
  • are in at least one of the recesses further primer for the implementation of a
  • Amplification reaction before, especially in dried form is a method of amplification of
  • the further primers are designed for a multiplication of the nucleotide strands to be sequenced, that is to say, in particular, for the nucleotide strands to be sequenced and for the first or second capture primers.
  • the further primers may be reverse primers or forward primers if the primers are forward primers or reverse primers.
  • further reagents for carrying out the amplification reaction in particular a PCR, can be present in at least one of the recesses, in particular in dried form, for example additives for the amplification reaction.
  • the subject of the invention is also a microfluidic device with a reaction carrier according to the invention.
  • the reaction carrier is detachably arranged in the microfluidic device, for example via a latching mechanism or Einklippmechanismus.
  • the reaction carrier is detachably arranged in the microfluidic device, for example via a latching mechanism or Einklippmechanismus.
  • the reaction carrier is detachably arranged in the microfluidic device, for example via a latching mechanism or Einklippmechanismus.
  • the reaction carrier is detachably arranged in the microfluidic device, for example via a latching mechanism or Einklippmechanismus.
  • the reaction carrier is detachably arranged in the microfluidic device, for example via a latching mechanism or Einklippmechanismus.
  • Reaction carrier also be connected via a bond with the microfluidic device, which advantageously allows a particularly fluid-tight connection.
  • the reaction carrier can thus advantageously according to the
  • Production and immobilization of the first and second capture primer can be introduced into the device.
  • the microfluidic device comprises an area for pre-amplification of the nucleotide strands to be sequenced. This area may be
  • a fluidic connection between the chamber and the reaction carrier can be interrupted, for example by a valve.
  • Pre-duplication is a duplication of the sequences to be sequenced
  • nucleotide strands to understand before the nucleotide strands to be sequenced are brought into contact with the reaction support, for example a Duplication via PCR, especially as part of a nested PCR. This has the advantage that a large number of the to be sequenced
  • Nucleotide strands can be generated in the microfluidic device.
  • a dilution in particular with a buffer solution, take place, in particular after the pre-duplication.
  • the microfluidic device comprises a to the
  • Reaction support adjacent region wherein the region for receiving a magnet is formed such that a magnetic field of the magnet for fixing a magnetic or magnetizable solid phase described above in the recesses may extend into one or more of the recesses.
  • the magnet can be a permanent magnet or an electromagnet, which can generate a magnetic field suitable for the manipulation of the particles.
  • the reaction carrier may have a recess for receiving a magnet.
  • the device can in addition to the preferred latching or
  • Einklippmechanismus a region, in particular a recess, for receiving the magnet.
  • the invention further provides a method for determining a nucleotide sequence with a reaction carrier according to the invention.
  • the sequence of bound nucleotide strands bound to the first and / or second capture primers may have been amplified in an optional step, in particular by performing a PCR.
  • the sequence of bound nucleotide strands to be sequenced may have been amplified in an optional step, in particular by performing a PCR.
  • Nucleotide strands determined, in particular via a sequencing-by-synthesis method.
  • the immobilizing step comprises binding the
  • the solid phase can be a mobile solid phase
  • the binding of the capture primer to the solid phase takes place prior to the immobilization of the solid phase on the reaction support. This has the advantage that the binding of the capture primer to the solid phase can also take place separately from the reaction support and in particular outside the microfluidic device.
  • the method takes place during the binding of the nucleotide strands to the first and / or second capture primer, a closure of the recesses, in particular by a cover with a liquid.
  • a closure of the recesses in particular by a cover with a liquid.
  • the liquid may in particular be a non-polar liquid, for example an oil.
  • FIG. 1 and 2 an embodiment of the device according to the invention and
  • FIG. 3 shows a flowchart for an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of the microfluidic device 200 according to the invention with an exemplary embodiment of the invention
  • Reaction carrier 100 for determining a
  • the reaction carrier 100 comprises in this example a first recess 101, a second recess 102 and a third
  • Recess 103 which are each designed as depressions in the reaction carrier 100.
  • the depressions 101, 102, 103 each have a volume between 1 picoliter and 100 microliter, preferably between 1 nanoliter and 10 microliter.
  • All the recesses 101, 102, 103 comprise a solid phase 110, in this example magnetic particles 110.
  • the particles 110 may be
  • first capture primers 121 second capture primers 122 are bound to the particles 110 in the second recess 102 and third capture primers 123 are bound to the particles 110 in the third recess 103.
  • Different capture primers 121, 122, 123 thus enable parallel and spatially resolved detection of different nucleotide strands.
  • a part of the reaction support 100 in particular a part of a wall 131 or a bottom 132 of one or more
  • Reaction carrier 100 comprise porous silicon.
  • the recesses 101, 102, 103 may, as described above, further comprise substances for a PCR, for example in freeze-dried form, in particular polymerases, nucleotides, salts and also PCR enhancers.
  • substances for a PCR for example in freeze-dried form, in particular polymerases, nucleotides, salts and also PCR enhancers.
  • you can additional primers required for the PCR for example for a concentration between 0.1 and 1.5 micromolar, and further capture primers, for example for a concentration between 0.001 and 1 micromolar, in the recesses 101, 102, 103 be upstream, the latter to the PCR to support and in particular to allow a PCR in the liquid phase.
  • These substances and primers can be wholly or partially in dehydrated, especially in freeze-dried form in the recesses 101, 102, 103, to be re-hydrated and thus activated when filling a liquid sample to be sequenced with nucleotide strands.
  • Recesses stored substances should be superimposed with polyethylene glycol (PEG).
  • PEG polyethylene glycol
  • FIG. 1 also shows schematically that the reaction carrier 100 can preferably be releasably connected to the device 200, for example via latching hooks 141, 142. Furthermore, it is shown schematically that the reaction carrier 100 can preferably be releasably connected to the device 200, for example via latching hooks 141, 142. Furthermore, it is shown schematically that the reaction carrier 100 can preferably be releasably connected to the device 200, for example via latching hooks 141, 142. Furthermore, it is shown schematically that the
  • Device 200 has a region 210 for a duplication and preferably dilution of the nucleotide strands to be sequenced.
  • this region 210 can be embodied as a chamber 210 in the device 200, which is fluidically connected to the reaction carrier via a valve 211.
  • the magnetic particles 110 can be fixed in the depressions 102 by a magnet 300, wherein the magnet 300 can be arranged, for example, in a second region 105 adjoining the reaction region 101.
  • FIG. 2b by way of example, two particles 110 with immobilized capture molecules 121 are shown, to which sequenceable nucleotide strands 400 are bound. Sequencing primers 401 are already bound to the immobilized nucleotide strands 400 for sequencing by means of a sequencing-by-synthesis method on one of the two particles 110.
  • FIG. 3 shows a flowchart for an embodiment of the invention
  • the method 500 according to the invention for determining a nucleotide sequence which can be used, for example, with the exemplary embodiments described above Inventive Reaction carrier 100 and the inventive
  • Device 200 can be performed.
  • the first capture primer 121 of the first recess 101 and second capture primer 122 are immobilized in the second recess 102 of the reaction support 100. If available, further capture primers can be immobilized in further recesses of the reaction support. As described above, this can preferably take place via a binding of the capture primers 121, 122, 123 to a mobile phase in the form of magnetic particles 110, which can be held in the recesses 101, 102, 103 of the reaction carrier 100 by means of a magnet 300.
  • the binding of the capture primers 121, 122, 123 to the solid phase can be carried out, for example, via silanes, for example APTES, to which linkers are attached, for example 1,4-phenylene diisothiocyanate (PDITC), glutaraldehyde, s-SIAB, s-MBS, s-silane. GMBS, s-MBP. Also a direct one
  • Immobilization using poly (C, T) -tagged nucleic acids in combination with UV-initiated immobilization is possible (Y. Sun, R. Dhumpa, D. Bang, J. Hogberg, K. Handberg, A. Wolff, "A lab -on-a-chip device for rapid identification of avian influenza viral RNA by solid-phase PCR ", Lab Chip, vol. 11, pp. 1457-1463, 2011).
  • nucleotide strands 400 to be sequenced are bound to the capture primers, preferably as part of a solid-phase PCR.
  • the recesses are during binding of the
  • Nucleotide strands 400 are closed to the capture primer, in particular by covering with a liquid, such as, for example, with an oil layer or a silicone layer, in order to ensure a contamination-free bond as possible.
  • a liquid such as, for example, with an oil layer or a silicone layer
  • the nucleotide strands to be sequenced may have been amplified in an optional step, in particular by performing a PCR. This has the advantage that depending on the number of
  • a rinse of the particles 110 with a wash buffer for example with a phosphate buffered saline solution (PBS for short), in a third Step 503, to optionally remove reaction components of the PCR.
  • PBS phosphate buffered saline solution
  • Nucleotide strands may have two hydrogen-bonded sequences of nucleotides that are complementary to each other, and one end of a sequence is each bound to a capture primer or is the extension thereof. In other words, each are two mutually complementary nucleotide strands, one of the two nucleotide strands being directly bound to the capture primer.
  • the nucleotide strand not directly bound to the primer can be removed by dissolving the hydrogen bonds, for example using a sodium hydroxide solution.
  • the caustic soda can be used both for the removal of these nucleotide strands and for the flushing described above.
  • the caustic soda can a
  • a fourth step 504 the sequence of the bound nucleotide strands is determined, in particular via a sequencing-by-synthesis method, which is described in US Pat
  • the fourth step 504 may preferably comprise the following steps five to ten.
  • a fifth step 505 the sequencing primer 401 is added to the bound first nucleotide strands, wherein the sequencing primer 401 is designed to bind to a free end of the first nucleotide strands 400, as shown in Figure 2b.
  • nucleotides of one of a plurality of predetermined types are added to the bound first nucleotide strands, the added nucleotides having a label, preferably a fluorophore, and a polymerase terminator.
  • the prescribed varieties are adenosine triphosphate, guanosine triphosphate, cytidine triphosphate and
  • Thymidine triphosphate examples of suitable fluorophores are:
  • Cyanine dyes such as Cy3, or Cy5 or Atto equivalents.
  • the polymerase terminator is an esterification of the 3 ' Hydroxyl group of a nucleotide.
  • the addition is carried out with the addition of polymerase, so that each binding of one of the added nucleotides to the bound nucleotide strands takes place when a complementarity of the added nucleotide with the bound in relation to the
  • Sequencing primer nearest nucleotide is present without complementary nucleotide of a respective bound first nucleotide strand.
  • the addition of the polymerase can be carried out together or before the addition of the nucleotides.
  • unbound nucleotides are removed, preferably via a rinse of the solid phase, for example with PBS, before, in an eighth step 508, a detection of the bound nucleotides takes place via detection of the label.
  • a conventional optical system consisting of excitation light, excitation filter, detection filter and detector can be used.
  • a ninth 509 step for example via rinsing of the bound first nucleotide strands with Na 2 PdCl 4 / P (PhSO 3Na) 3 as a buffer when using 3'-0-allyl groups as a polymerase terminator. This will be tied to the first
  • nucleotide strands generated free 3'-hydroxy ends, which allows incorporation of the next complementary nucleotide. Subsequently, in a tenth step 510, a new addition of polymerase and of nucleotides of one of the other prescribed varieties with label and

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Abstract

The invention relates to a reaction carrier (100) for a microfluidic device (200) for determining a nucleotide sequence, comprising at least one first recess (101) and a second recess (102), in which first scavenger primers (121) are immobilised on a solid phase in the first recess (101), and second scavenger primers (122) are immobilised on a solid phase (110) in the second recess (102), the first scavenger primers (121) being different from the second scavenger primers (122). The invention also relates to such a microfluidic device (200) and to an associated method (500) for determining a nucleotide sequence.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Reaktionsträger für eine mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zur  Reaction carrier for a microfluidic device and method for
Bestimmung einer Nukleotidsequenz Determination of a nucleotide sequence
Stand der Technik State of the art
Mit bekannten mikrofludischen Vorrichtungen, auch Lab-on-a-Chips genannt, können DNA-haltige Substanzen, beispielsweise Pathogene, über eindeutige Gensignaturen nachgewiesen werden, beispielsweise über sogenannte sequencing-by-synthesis-Verfahren (u.a. Bentley et al. (6 November 2008). "Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry". Nature. 456 (7218): 53-59 und Ju et al. (26 Oktober 2006) "Four- color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotide reversible terminators", PNAS 2006 103 (52) 19635-19640; Known microfluidic devices, also called lab-on-a-chips, can be used to detect DNA-containing substances, for example pathogens, via clear gene signatures, for example via so-called sequencing-by-synthesis methods (inter alia Bentley et al Nature 456 (7218): 53-59 and Ju et al. (26 October 2006) "Four-color DNA sequencing by synthesis using cleavable fluorescent nucleotide reversible terminators"; PNAS 2006 103 (52) 19635-19640;
doi:10.1073/pnas.0609513103). Den Nachweisreaktionen ist dabei gemeinsam, dass Nukleotidsequenzen dieser Substanzen im Rahmen des sogenannten Genotypings mittels komplementärer fluoreszenzgelabelter DNA-Sonden abgefragt werden. Im Gegensatz dazu können mittels Genotyping nur die Gensequenzen nachgewiesen werden, für die die Vorrichtung auch eine entsprechende Sonde aufweist. Pathogene verändern sich jedoch im Verlaufe der Zeit genetisch, oft im Zuge der Ausbildung von Resistenzen. Daher müssen die in der Vorrichtung vorgehaltenen Sonden immer wieder angepasst werden, um diese Veränderungen sowie auch neu entdeckte Pathogene abzudecken. Offenbarung der Erfindung doi: 10.1073 / pnas.0609513103). The detection reactions are common that nucleotide sequences of these substances are queried in the context of the so-called genotyping by means of complementary fluoreszenzgelabelter DNA probes. In contrast, genotyping can only detect the gene sequences for which the device also has a corresponding probe. However, pathogens change genetically over time, often in the course of resistance training. Therefore, the probes held in the device must be adapted again and again to cover these changes as well as newly discovered pathogens. Disclosure of the invention
Vorteile der Erfindung Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung einen Reaktionsträger für eine mikrofluidische Vorrichtung zur Bestimmung einer Nukleotidsequenz. Der Reaktionsträger umfasst mindestens eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung, wobei in der ersten Ausnehmung erste Fängerprimer und in der zweiten Ausnehmung zweite Fängerprimer an einer Festphase immobilisiert sind. Die ersten Fängerprimer sind dabei von den zweiten Fängerprimern verschieden. Advantages of the Invention Against this background, the invention relates to a reaction carrier for a microfluidic device for determining a nucleotide sequence. The reaction carrier comprises at least a first recess and a second recess, wherein in the first recess first capture primer and in the second recess second capture primer are immobilized on a solid phase. The first capture primers are different from the second capture primers.
Der Reaktionsträger kann insbesondere ein Substrat, beispielsweise ein The reaction carrier may in particular be a substrate, for example a
Kunststoffsubstrat umfassen. Unter einer Ausnehmung kann dabei insbesondere eine Vertiefung in einer Oberfläche des Reaktionsträgers verstanden werden. Bei der Nukleotidsequenz handelt es sich insbesondere um eine Abfolge von Plastic substrate include. Under a recess can be understood in particular a depression in a surface of the reaction carrier. The nucleotide sequence is in particular a sequence of
Nukleotiden eines Nukleotidstrangs oder Nukleinsäurefragments einer  Nucleotides of a nucleotide strand or nucleic acid fragment of a nucleotide strand
Desoxyribonukleinsäure oder Ribonukleinsäure, beispielsweise eines Deoxyribonucleic acid or ribonucleic acid, for example one
Nukleotidstrangs eines Pathogens oder einer menschlichen oder tierischen Zelle. Unter einem Pathogen ist dabei ein Krankheitserreger zu verstehen, Nucleotide strand of a pathogen or a human or animal cell. Under a pathogen is to understand a pathogen,
insbesondere ein Virus, ein Bakterium oder ein Einzeller. Unter einer in particular a virus, a bacterium or a unicellular. Under one
Bestimmung einer Nukleotidsequenz kann insbesondere ein  Determination of a nucleotide sequence may in particular
Sequenzierungsverfahren wie beispielsweise oben beschrieben verstanden werden, insbesondere ein sequencing-by-synthesis-Verfahren. Bei den Sequencing methods are understood as described above, in particular a sequencing-by-synthesis method. Both
Fängerprimern handelt es sich insbesondere um Nukleotidstränge, welche ausgebildet sind, die zu sequenzierenden Nukleotidstränge zu binden. Capture primers are, in particular, nucleotide strands which are designed to bind the nucleotide strands to be sequenced.
Vorzugsweise sind die Fängerprimer ferner für eine Vervielfältigung der zu sequenzierenden Nukleotidstränge ausgebildet, insbesondere für eine  Preferably, the capture primers are further designed for amplification of the nucleotide strands to be sequenced, in particular for one
Vervielfältigung über eine Polymerase- Kettenreaktion (PCR). Der Reaktionsträger ermöglicht vorteilhafterweise die Vervielfältigung der zu sequenzierenden Nukleotidstränge, insbesondere über die Durchführung einer PCR, auf dem Reaktionsträger, also direkt an einer Festphase, woran Reproduction via a polymerase chain reaction (PCR). The reaction support advantageously allows the amplification of the nucleotide strands to be sequenced, in particular by carrying out a PCR, on the reaction support, ie directly on a solid phase, to what
unmittelbar anschließend eine Sequenzierung an der Festphase durchgeführt werden kann. Bei einer solchen Festphasen- PCR wird das entstehende PCR- Produkt an die immobilisierten Fängerprimer angebunden. Die zu sequenzierenden Nukleotidstränge werden während der PCR durch die Bindung an die Fängerprimer immobilisiert und somit vorteilhafterweise an einem vorgegebenen Ort, nämlich am Ort der Festphase, für eine nachfolgende Sequenzierung bereitgestellt. Die unmittelbare Immobilisierung der immediately afterwards a sequencing on the solid phase can be carried out. In such a solid-phase PCR, the resulting PCR product is attached to the immobilized capture primer. The too sequencing nucleotide strands are immobilized during PCR by binding to the capture primers and thus advantageously provided at a given location, namely at the site of the solid phase, for subsequent sequencing. The immediate immobilization of the
Nukleotidstränge erlaubt auch eine einfache Entfernung von nicht mehr benötigten Reaktionskomponenten, insbesondere durch eine Spülung der Festphase. Ferner ist von besonderem Vorteil, dass keine spezifischen Sonden zum Nachweis der Nukleotidstränge vorgesehen werden müssen, sondern eine Identifizierung über die Sequenzierung der an die Fängerprimer gebundenen Nukleotidstränge möglich ist. Insbesondere können dadurch vorteilhafterweise bekannte DNA-Signaturen und auch Punktmutationen in solchen Signaturen erkannt werden. Durch die immobilisierten und unterschiedlichen Fängerprimer ist ferner vorteilhafterweise eine parallele und ortsaufgelöste Sequenzierung und Identifizierung verschiedener Nukleotidstränge möglich. Nucleotide strands also allow easy removal of no longer required reaction components, especially by rinsing the solid phase. Furthermore, it is of particular advantage that no specific probes for detecting the nucleotide strands must be provided, but identification via the sequencing of the nucleotide strands bound to the capture primers is possible. In particular, it is advantageously possible to recognize known DNA signatures and also point mutations in such signatures. The immobilized and different capture primers also advantageously allow parallel and spatially resolved sequencing and identification of different nucleotide strands.
Der Reaktionsträger kann vorzugsweise weitere Ausnehmungen mit weiteren immobilisierten Fängerprimern umfassen, wobei die weiteren Fängerprimer teilweise identisch und teilweise verschiedenen voneinander sein können. Dies erhöht vorteilhafterweise eine Effektivität und Effizienz beziehungsweise eine Parallelität der Bestimmung der Nukleotidsequenzen. The reaction carrier may preferably comprise further recesses with further immobilized capture primers, wherein the further capture primers may be partially identical and in part different from each other. This advantageously increases an effectiveness and efficiency or a parallelism of the determination of the nucleotide sequences.
Unter einer Festphase kann ein Material, ein Stoff oder eine Zusammensetzung aus Materialen und/oder Stoffen in festem Aggregatzustand verstanden werden, worunter auch Gele fallen, insbesondere Agarosegele oder Hydrogele. Die Festphase kann mit dem Reaktionsträger verbunden sein, insbesondere kann dieA solid phase can be understood as meaning a material, a substance or a composition of materials and / or substances in a solid state of matter, including gels, in particular agarose gels or hydrogels. The solid phase may be connected to the reaction carrier, in particular, the
Festphase ein Teil des Reaktionsträgers sein. Die Festphase umfasst dabei vorzugsweise zumindest einen Teil einer Wand oder eines Bodens der ersten und/oder der zweiten Ausnehmung. Dadurch werden die Fängerprimer vorteilhafterweise in den Ausnehmungen immobilisiert. Solid phase to be part of the reaction carrier. The solid phase preferably comprises at least part of a wall or a bottom of the first and / or the second recess. As a result, the catcher primers are advantageously immobilized in the recesses.
Alternativ oder zusätzlich kann die Festphase Partikel umfassen, insbesondere magnetische Partikel, welche mit Hilfe eines Magneten vorteilhafterweise bezüglich der Festphase immobilisiert werden können. Unter magnetischen Partikeln können dabei Partikel mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Material verstanden werden, beispielsweise paramagnetische Polymerpartikel. Die Verwendung von Partikeln als Festphase hat den Vorteil, dass bei Alternatively or additionally, the solid phase can comprise particles, in particular magnetic particles, which can advantageously be immobilized with respect to the solid phase with the aid of a magnet. In this case, magnetic particles can be understood as meaning particles having a magnetic or magnetizable material, for example paramagnetic polymer particles. The use of particles as a solid phase has the advantage that at
Verwendung einer flüssigen Probe mit darin enthaltenen zu bindenden Use of a liquid sample with binding to be contained therein
Nukleotidsträngen eine Kontaktfläche zwischen Festphase und Probe größer ist als bei Verwendung einer planaren Phase, was für eine erhöhte und somit verbesserte Reaktionskinetik aufgrund verkürzter Diffusionswege sorgt. Die Verwendung von magnetischen Partikeln als Festphase hat zudem den Vorteil, dass zum einen die Partikel über eine Magnetkraft an wohldefinierten und somit einfach unterscheidbaren Orten in der mikrofluidischen Vorrichtung festgehalten werden können. Zum anderen können die immobilisierten Nukleotidstränge über magnetische Aktuation an einen beliebigen Ort befördert werden, beispielsweise für eine nachfolgende Prozessierung oder Analyse. Ferner ist von Vorteil, dass eine Spülung der partikelförmigen Festphase im Vergleich zu einer planaren Festphase effektiver durchgeführt werden kann Nucleotide strands a contact surface between the solid phase and the sample is greater than when using a planar phase, which provides for increased and thus improved reaction kinetics due to shortened diffusion paths. The use of magnetic particles as a solid phase also has the advantage that, on the one hand, the particles can be retained by a magnetic force at well-defined and thus easily distinguishable locations in the microfluidic device. On the other hand, the immobilized nucleotide strands can be transported to any location via magnetic actuation, for example for subsequent processing or analysis. Furthermore, it is advantageous that rinsing of the particulate solid phase can be carried out more effectively in comparison to a planar solid phase
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Festphase poröses Material, wobei die ersten und/oder die zweiten Fängerprimer in Poren des porösen Materials immobilisiert sind. Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche zur Immobilisierung von Fängerprimern und damit sequenzierbaren Nukleotidsträngen aufgrund der Poren deutlich vergrößert ist. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the solid phase comprises porous material, wherein the first and / or the second capture primer are immobilized in pores of the porous material. This has the advantage that the surface for the immobilization of capture primers and thus sequenceable nucleotide strands is significantly increased due to the pores.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegen in zumindest einer der Ausnehmungen weitere Primer für die Bestimmung der Nukleotidsequenz in ungebundener Form vor, insbesondere in getrockneter Form. Die weiteren Primer sind dabei vorzugsweise ausgebildet, die PCR zur Vervielfältigung der an die Fängerprimer anbindenden Nukleotidstränge zu unterstützen. Vorzugsweise sind die weiteren Primer zumindest teilweise mit Primern für die PCR dieser Nukleotidstränge identisch. In einer Ausgestaltung sind die weiteren Primer in der ersten Ausnehmung beziehungsweise in der zweiten Ausnehmung mit den ersten beziehungsweise mit den zweiten Fängerprimer zumindest teilweise identisch. Beispielsweise ist eine Sequenz der weiteren Primer in der ersten Ausnehmung beziehungsweise in der zweiten Ausnehmung mit einer In an advantageous development of the invention, at least one of the recesses contains further primers for the determination of the nucleotide sequence in unbound form, in particular in dried form. The further primers are preferably designed to support the PCR for the amplification of the nucleotide strands which bind to the capture primer. Preferably, the further primers are at least partially identical to primers for the PCR of these nucleotide strands. In one embodiment, the further primers in the first recess or in the second recess are at least partially identical to the first or the second catcher primer. For example, a sequence of the further primer in the first recess or in the second recess with a
Teilsequenz beginnend am 3'- Ende der ersten beziehungsweise der zweiten Fängerprimer identisch. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen in zumindest einer der Ausnehmungen weitere Primer für die Durchführung einer Partial sequence starting at the 3 'end of the first or second capture primer identical. In a particularly advantageous embodiment of the invention are in at least one of the recesses further primer for the implementation of a
Amplifikationsreaktion vor, insbesondere in getrockneter Form. Unter einer Amplifikationsreaktion ist ein Verfahren zur Vervielfältigung von Amplification reaction before, especially in dried form. Under an amplification reaction is a method of amplification of
Nukleotidsträngen zu verstehen, beispielweise eine isotherme Nucleotide strands to understand, for example, an isothermal
Amplifikationsreaktion oder eine PCR. Vorzugsweise sind die weiteren Primer für eine Vervielfältigung der zu sequenzierenden Nukleotidstränge ausgebildet, also insbesondere auf die zu sequenzierenden Nukleotidstränge und die ersten beziehungsweise zweiten Fängerprimer abgestimmt. Im Falle einer PCR als Amplifikationsreaktion kann es sich bei den weiteren Primern um Reverse- Primer oder Forward-Primer handeln, wenn die Fängerprimer Forward- Primer beziehungsweise Reverseprimer sind. Ferner können weitere Reagenzien für die Durchführung der Amplifikationsreaktion, insbesondere einer PCR, in zumindest einer der Ausnehmungen vorliegen, insbesondere in getrockneter Form, beispielsweise Additive für die Amplifikationsreaktion.  Amplification reaction or a PCR. Preferably, the further primers are designed for a multiplication of the nucleotide strands to be sequenced, that is to say, in particular, for the nucleotide strands to be sequenced and for the first or second capture primers. In the case of a PCR as an amplification reaction, the further primers may be reverse primers or forward primers if the primers are forward primers or reverse primers. Furthermore, further reagents for carrying out the amplification reaction, in particular a PCR, can be present in at least one of the recesses, in particular in dried form, for example additives for the amplification reaction.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Reaktionsträger. Beispielsweise ist der Reaktionsträger lösbar in der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet, beispielsweise über einen Einrastmechanismus oder Einklippmechanismus. Alternativ kann der The subject of the invention is also a microfluidic device with a reaction carrier according to the invention. For example, the reaction carrier is detachably arranged in the microfluidic device, for example via a latching mechanism or Einklippmechanismus. Alternatively, the
Reaktionsträger auch über eine Klebung mit der mikrofluidischen Vorrichtung verbunden sein, was vorteilhafterweise eine besonders fluiddichte Verbindung ermöglicht. Der Reaktionsträger kann somit vorteilhafterweise nach der Reaction carrier also be connected via a bond with the microfluidic device, which advantageously allows a particularly fluid-tight connection. The reaction carrier can thus advantageously according to the
Herstellung und Immobilisierung der ersten und zweiten Fängerprimer in die Vorrichtung eingebracht werden kann. Production and immobilization of the first and second capture primer can be introduced into the device.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die mikrofluidische Vorrichtung einen Bereich für eine Vorvervielfältigung der zu sequenzierenden Nukleotidstränge. Bei diesem Bereich kann es sich According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the microfluidic device comprises an area for pre-amplification of the nucleotide strands to be sequenced. This area may be
insbesondere um eine Kammer der Vorrichtung handeln, wobei vorzugsweise eine fluidische Verbindung zwischen der Kammer und dem Reaktionsträger unterbrochen werden kann, beispielsweise durch ein Ventil. Unter einer in particular act around a chamber of the device, wherein preferably a fluidic connection between the chamber and the reaction carrier can be interrupted, for example by a valve. Under one
Vorvervielfältigung ist eine Vervielfältigung der zu sequenzierenden Pre-duplication is a duplication of the sequences to be sequenced
Nukleotidstränge zu verstehen, bevor die zu sequenzierenden Nukleotidstränge mit dem Reaktionsträger in Kontakt gebracht werden, beispielsweise eine Vervielfältigung über eine PCR, insbesondere als Teil einer verschachtelte PCR. Dies hat den Vorteil, dass eine große Anzahl der zu sequenzierenden Nucleotide strands to understand before the nucleotide strands to be sequenced are brought into contact with the reaction support, for example a Duplication via PCR, especially as part of a nested PCR. This has the advantage that a large number of the to be sequenced
Nukleotidstränge in der mikrofluidischen Vorrichtung erzeugt werden können. Optional kann in diesem Bereich auch eine Verdünnung, insbesondere mit einer Pufferlösung, erfolgen, insbesondere nach der Vorvervielfältigung. Nucleotide strands can be generated in the microfluidic device. Optionally, in this area, a dilution, in particular with a buffer solution, take place, in particular after the pre-duplication.
Vorzugsweise umfasst die mikrofluidische Vorrichtung einen an den Preferably, the microfluidic device comprises a to the
Reaktionsträger angrenzenden Bereich, wobei der Bereich für eine Aufnahme eines Magneten derart ausgebildet ist, dass sich ein Magnetfeld des Magneten zur Fixierung einer oben beschriebenen magnetischen oder magnetisierbaren Festphase in den Ausnehmungen in eine oder mehrere der Ausnehmungen erstrecken kann. Bei dem Magneten kann es sich um einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten handeln, welcher ein für die Manipulation der Partikel geeignetes Magnetfeld erzeugen kann. Beispielsweise kann der Reaktionsträger eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Magneten aufweisen. Die Vorrichtung kann neben dem vorzugsweisen Einrast- oder Reaction support adjacent region, wherein the region for receiving a magnet is formed such that a magnetic field of the magnet for fixing a magnetic or magnetizable solid phase described above in the recesses may extend into one or more of the recesses. The magnet can be a permanent magnet or an electromagnet, which can generate a magnetic field suitable for the manipulation of the particles. For example, the reaction carrier may have a recess for receiving a magnet. The device can in addition to the preferred latching or
Einklippmechanismus einen Bereich, insbesondere eine Ausnehmung, für die Aufnahme des Magneten aufweisen. Einklippmechanismus a region, in particular a recess, for receiving the magnet.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Nukleotidsequenz mit einem erfindungsgemäßen Reaktionsträger. In einem ersten Schritt des Verfahrens werden erste Fängerprimer der ersten The invention further provides a method for determining a nucleotide sequence with a reaction carrier according to the invention. In a first step of the process, first capture primers of the first
Ausnehmung und zweite Fängerprimer in der zweiten Ausnehmung des Recess and second capture primer in the second recess of the
Reaktionsträgers immobilisiert, wobei die ersten Fängerprimer von den zweiten Fängerprimern verschieden sind. In einem zweiten Schritt werden zu Reaction carrier immobilized, wherein the first capture primer are different from the second capture primer. In a second step become
sequenzierende Nukleotidstränge an die ersten und/oder zweiten Fängerprimer gebunden. Davor können die zu sequenzierende Nukleotidstränge in einem optionalen Schritt vervielfältigt worden sein, insbesondere durch Durchführung einer PCR. In einem dritten Schritt wird die Sequenz der gebundenen sequencing nucleotide strands bound to the first and / or second capture primers. Before that, the nucleotide strands to be sequenced may have been amplified in an optional step, in particular by performing a PCR. In a third step, the sequence of bound
Nukleotidstränge bestimmt, insbesondere über ein sequencing-by-synthesis- Verfahren. Nucleotide strands determined, in particular via a sequencing-by-synthesis method.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und den folgenden vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen wird auch auf die oben angeführten Vorteile verwiesen. Vorzugsweise umfasst der Schritt des Immobilisierens eine Bindung der For the advantages of the method according to the invention and the following advantageous developments and refinements, reference is also made to the above-mentioned advantages. Preferably, the immobilizing step comprises binding the
Fängerprimer an die Festphase des Reaktionsträgers. Capture primer to the solid phase of the reaction carrier.
Bei der Festphase kann es sich um eine mobile Festphase handeln, The solid phase can be a mobile solid phase,
beispielsweise um vorzugsweise magnetische Partikel, wie oben ausgeführt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bindung der Fängerprimer an die Festphase vor der Immobilisierung der Festphase am Reaktionsträger. Dies hat den Vorteil, dass die Bindung der Fängerprimer an die Festphase auch separat vom Reaktionsträger und insbesondere außerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgen kann. for example, preferably magnetic particles, as stated above. In a particularly advantageous embodiment of the method, the binding of the capture primer to the solid phase takes place prior to the immobilization of the solid phase on the reaction support. This has the advantage that the binding of the capture primer to the solid phase can also take place separately from the reaction support and in particular outside the microfluidic device.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt während des Bindens der Nukleotidstränge an die ersten und/oder zweiten Fängerprimer ein Verschluss der Ausnehmungen, insbesondere durch eine Abdeckung mit einer Flüssigkeit. Dies hat den Vorteil, dass in jeder Ausnehmung eine separate und querkontaminationsfreie Reaktion ablaufen kann. Ferner werden vorteilhafterweise die Ausnehmungen vor Kontaminationen geschützt und ein Austreten von Material aus den Ausnehmungen erschwert. Bei der Flüssigkeit kann es sich insbesondere um eine unpolare Flüssigkeit handeln, beispielsweise ein Öl. According to a particularly advantageous embodiment of the method takes place during the binding of the nucleotide strands to the first and / or second capture primer, a closure of the recesses, in particular by a cover with a liquid. This has the advantage that a separate and transverse contamination-free reaction can take place in each recess. Furthermore, the recesses are advantageously protected against contamination and it is difficult to escape from the recesses. The liquid may in particular be a non-polar liquid, for example an oil.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird. Embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and explained in more detail in the following description. The same reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of the elements is dispensed with.
Es zeigen Show it
Figuren 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Figur 3 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figures 1 and 2 an embodiment of the device according to the invention and FIG. 3 shows a flowchart for an exemplary embodiment of the method according to the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 200 mit einem Ausführungsbeispiel des FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of the microfluidic device 200 according to the invention with an exemplary embodiment of the invention
erfindungsgemäßen Reaktionsträgers 100 zur Bestimmung einer Reaction carrier 100 according to the invention for determining a
Nukleotidsequenz. Der Reaktionsträger 100 umfasst in diesem Beispiel eine erste Ausnehmung 101, ein zweite Ausnehmung 102 und eine dritte Nucleotide sequence. The reaction carrier 100 comprises in this example a first recess 101, a second recess 102 and a third
Ausnehmung 103, welche jeweils als Vertiefungen im Reaktionsträger 100 ausgeführt sind. Beispielsweise umfassen die Vertiefungen 101, 102, 103 jeweils ein Volumen zwischen 1 Pikoliter und 100 Mikroliter, bevorzugt zwischen 1 Nanoliter und 10 Mikroliter. Recess 103, which are each designed as depressions in the reaction carrier 100. For example, the depressions 101, 102, 103 each have a volume between 1 picoliter and 100 microliter, preferably between 1 nanoliter and 10 microliter.
Alle Ausnehmungen 101, 102, 103 umfassen eine Festphase 110, in diesem Beispiel magnetische Partikel 110. Bei den Partikeln 110 kann es sich All the recesses 101, 102, 103 comprise a solid phase 110, in this example magnetic particles 110. The particles 110 may be
insbesondere um magnetische Mikro- oder Nanopartikel mit einem beispielhaften Durchmesser zwischen 10 Nanometer und 500 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 100 Nanometer und 100 Mikrometer handeln, wie beispielsweise Dynabeads® oder BioMag® sowie BioMag®„Unconjugated Particles". An die Partikel 110 in der ersten Ausnehmung 101 sind erste Fängerprimer 121, an die Partikel 110 in der zweiten Ausnehmung 102 zweite Fängerprimer 122 und an die Partikel 110 in der dritten Ausnehmung 103 dritte Fängerprimer 123 gebunden. Unterschiedliche Fängerprimer 121, 122, 123 ermöglichen somit einen parallelen und ortsaufgelösten Nachweis verschiedener Nukleotidstränge. Alternativ oder zusätzlich kann ein Teil des Reaktionsträgers 100, insbesondere ein Teil einer Wand 131 oder eines Bodens 132 einer oder mehrerer in particular, magnetic microparticles or nanoparticles having an exemplary diameter between 10 nanometers and 500 micrometers, preferably between 100 nanometers and 100 micrometers, such as Dynabeads® or BioMag® and BioMag® "Unconjugated Particles." To the particles 110 in the first recess 101 are first capture primers 121, second capture primers 122 are bound to the particles 110 in the second recess 102 and third capture primers 123 are bound to the particles 110 in the third recess 103. Different capture primers 121, 122, 123 thus enable parallel and spatially resolved detection of different nucleotide strands. Alternatively or additionally, a part of the reaction support 100, in particular a part of a wall 131 or a bottom 132 of one or more
Ausnehmungen 101, 102, 103, poröses Material aufweisen, wobei in den Poren Fängerprimer immobilisiert sind. Beispielsweise kann dieser Teil des Recesses 101, 102, 103, porous material, wherein in the pore capture primer are immobilized. For example, this part of the
Reaktionsträgers 100 poröses Silizium umfassen. Reaction carrier 100 comprise porous silicon.
Die Ausnehmungen 101, 102, 103 können wie oben beschrieben ferner Stoffe für eine PCR umfassen, beispielsweise in gefriergetrockneter Form, insbesondere Polymerasen, Nukleotide, Salze und auch PCR-Enhancer. Außerdem können weitere für die PCR erforderliche Primer, beispielsweise für eine Konzentration zwischen 0,1 und 1,5 Mikromolar, sowie weitere Fängerprimer, beispielsweise für eine Konzentration zwischen 0,001 und 1 Mikromolar, in den Ausnehmungen 101, 102, 103 vorgelagert sein, letztere um die PCR zu unterstützen und insbesondere eine PCR auch in der flüssigen Phase zu ermöglichen. Diese Stoffe und Primer können ganz oder teilweise in dehydrierter, insbesondere in gefriergetrockneter Form in den Ausnehmungen 101, 102, 103 vorliegen, um bei einem Einfüllen einer flüssigen Probe mit zu sequenzierenden Nukleotidsträngen wieder rehydriert und somit aktiviert zu werden. Um eine Verschleppung von Reagenzien aus den Ausnehmungen zu verhindern, können die in den The recesses 101, 102, 103 may, as described above, further comprise substances for a PCR, for example in freeze-dried form, in particular polymerases, nucleotides, salts and also PCR enhancers. In addition, you can additional primers required for the PCR, for example for a concentration between 0.1 and 1.5 micromolar, and further capture primers, for example for a concentration between 0.001 and 1 micromolar, in the recesses 101, 102, 103 be upstream, the latter to the PCR to support and in particular to allow a PCR in the liquid phase. These substances and primers can be wholly or partially in dehydrated, especially in freeze-dried form in the recesses 101, 102, 103, to be re-hydrated and thus activated when filling a liquid sample to be sequenced with nucleotide strands. In order to prevent carryover of reagents from the recesses, the in the
Ausnehmungen gelagerten Stoffe mit Polyethylenglykol (PEG) überlagert sein. Eine solche Anwendung von PEG ermöglicht insbesondere eine verzögerte und temperaturinduzierte Aufnahme der Stoffe in eine Flüssigkeit, insbesondere in die Probenflüssigkeit. Recesses stored substances should be superimposed with polyethylene glycol (PEG). Such an application of PEG in particular enables a delayed and temperature-induced absorption of the substances into a liquid, in particular into the sample liquid.
In Figur 1 ist auch schematisch dargestellt, dass der Reaktionsträger 100 beispielsweise über Rasthaken 141, 142 mit der Vorrichtung 200 vorzugsweise lösbar verbunden werden kann. Ferner ist schematisch gezeigt, dass die FIG. 1 also shows schematically that the reaction carrier 100 can preferably be releasably connected to the device 200, for example via latching hooks 141, 142. Furthermore, it is shown schematically that the
Vorrichtung 200 einen Bereich 210 für eine Vervielfältigung und vorzugsweise Verdünnung der zu sequenzierenden Nukleotidsträngen aufweist. Dieser Bereich 210 kann insbesondere als eine Kammer 210 in der Vorrichtung 200 ausgeführt sein, welche mit dem Reaktionsträger über ein Ventil 211 fluidisch verbunden ist. Device 200 has a region 210 for a duplication and preferably dilution of the nucleotide strands to be sequenced. In particular, this region 210 can be embodied as a chamber 210 in the device 200, which is fluidically connected to the reaction carrier via a valve 211.
Wie in Figur 2a dargestellt, können die magnetischen Partikel 110 durch einen Magneten 300 in den Vertiefungen 102 fixiert werden, wobei der Magnet 300 beispielsweise in einem an Reaktionsbereich 101 angrenzenden zweiten Bereich 105 angeordnet sein kann. In Figur 2b sind beispielhaft zwei Partikel 110 mit immobilisierten Fängermolekülen 121 gezeigt, an welche sequenzierbare Nukleotidstränge 400 gebunden sind. An einem der beiden Partikel 110 sind bereits Sequenzierprimer 401 für eine Sequenzierung über ein sequencing-by- synthesis-Verfahren an den immobilisierten Nukleotidsträngen 400 gebunden. As shown in FIG. 2 a, the magnetic particles 110 can be fixed in the depressions 102 by a magnet 300, wherein the magnet 300 can be arranged, for example, in a second region 105 adjoining the reaction region 101. In FIG. 2b, by way of example, two particles 110 with immobilized capture molecules 121 are shown, to which sequenceable nucleotide strands 400 are bound. Sequencing primers 401 are already bound to the immobilized nucleotide strands 400 for sequencing by means of a sequencing-by-synthesis method on one of the two particles 110.
Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des FIG. 3 shows a flowchart for an embodiment of the invention
erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Bestimmen einer Nukleotidsequenz, welches beispielsweise mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Reaktionsträgers 100 und der erfindungsgemäßen The method 500 according to the invention for determining a nucleotide sequence which can be used, for example, with the exemplary embodiments described above Inventive Reaction carrier 100 and the inventive
Vorrichtung 200 durchgeführt werden kann. Device 200 can be performed.
In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens 500 werden die ersten Fängerprimer 121 der ersten Ausnehmung 101 und zweite Fängerprimer 122 in der zweiten Ausnehmung 102 des Reaktionsträgers 100 immobilisiert. Soweit vorhanden, können weitere Fängerprimer in weiteren Ausnehmungen des Reaktionsträgers immobilisiert werden. Wie oben beschrieben, kann dies vorzugsweise über eine Bindung der Fängerprimer 121, 122, 123 an eine mobile Phase in Form von magnetischen Partikeln 110 erfolgen, welche mit Hilfe eines Magneten 300 in den Ausnehmungen 101, 102, 103 des Reaktionsträgers 100 gehalten werden können. Die Bindung der Fängerprimer 121, 122, 123 an die Festphase kann beispielsweise über Silane erfolgen, beispielsweise APTES, an welche Linker angebunden werden, beispielsweise 1,4-phenylene diisothiocyanate (PDITC), glutaraldehyde, s-SIAB, s-MBS, s-GMBS, s-MBP. Auch eine direkte In a first step 501 of the method 500, the first capture primer 121 of the first recess 101 and second capture primer 122 are immobilized in the second recess 102 of the reaction support 100. If available, further capture primers can be immobilized in further recesses of the reaction support. As described above, this can preferably take place via a binding of the capture primers 121, 122, 123 to a mobile phase in the form of magnetic particles 110, which can be held in the recesses 101, 102, 103 of the reaction carrier 100 by means of a magnet 300. The binding of the capture primers 121, 122, 123 to the solid phase can be carried out, for example, via silanes, for example APTES, to which linkers are attached, for example 1,4-phenylene diisothiocyanate (PDITC), glutaraldehyde, s-SIAB, s-MBS, s-silane. GMBS, s-MBP. Also a direct one
Immobilisierung unter Verwendung von poly(C,T)-getaggten Nukleinsäuren in Kombination mit UV-initiierter Immobilisierung ist möglich (Y. Sun, R. Dhumpa, D. Bang, J. Hogberg, K. Handberg, A. Wolff,„A lab-on-a-chip device for rapid Identification of avian influenza viral RNA by solid-phase PCR", Lab Chip, vol. 11, pp. 1457-1463, 2011). Immobilization using poly (C, T) -tagged nucleic acids in combination with UV-initiated immobilization is possible (Y. Sun, R. Dhumpa, D. Bang, J. Hogberg, K. Handberg, A. Wolff, "A lab -on-a-chip device for rapid identification of avian influenza viral RNA by solid-phase PCR ", Lab Chip, vol. 11, pp. 1457-1463, 2011).
In einem zweiten Schritt 502 werden zu sequenzierende Nukleotidstränge 400 an die Fängerprimer gebunden, vorzugsweise im Rahmen einer Festphasen-PCR. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen während des Bindens der In a second step 502, nucleotide strands 400 to be sequenced are bound to the capture primers, preferably as part of a solid-phase PCR. Preferably, the recesses are during binding of the
Nukleotidstränge 400 an die Fängerprimer verschlossen, insbesondere durch eine Abdeckung mit einer Flüssigkeit, wie beispielsweise mit einer Ölschicht oder einer Silikonschicht, um eine möglichst kontaminationsfreie Bindung zu gewährleisten. Davor können die zu sequenzierende Nukleotidstränge in einem optionalen Schritt vervielfältigt worden sein, insbesondere durch Durchführung einer PCR. Dies hat den Vorteil, dass abhängig von der Anzahl der Nucleotide strands 400 are closed to the capture primer, in particular by covering with a liquid, such as, for example, with an oil layer or a silicone layer, in order to ensure a contamination-free bond as possible. Before that, the nucleotide strands to be sequenced may have been amplified in an optional step, in particular by performing a PCR. This has the advantage that depending on the number of
Ausnehmungen eine ausreichende Menge an Nukleotidsträngen für die  Recesses a sufficient amount of nucleotide strands for the
Durchführung des zweiten Schritts 502 bereitgestellt wird. Performing the second step 502 is provided.
Anschließend kann eine Spülung der Partikel 110 mit einem Waschpuffer, zum Beispiel mit einer phosphatgepufferten Salzlösung (kurz PBS), in einem dritten Schritt 503 erfolgen, um auch gegebenenfalls Reaktionskomponenten der PCR zu entfernen. Die an die Fängerprimer 121, 122, 123 gebundenen Subsequently, a rinse of the particles 110 with a wash buffer, for example with a phosphate buffered saline solution (PBS for short), in a third Step 503, to optionally remove reaction components of the PCR. The bound to the catcher primers 121, 122, 123
Nukleotidstränge können zwei über Wasserstoffbrücken miteinander verbundene Sequenzen von Nukleotiden aufweisen, welche komplementär zueinander sind und wobei ein Ende einer Sequenz jeweils an einen Fängerprimer gebunden ist beziehungsweise die Verlängerung dessen darstellt. Mit anderen Worten handelt es sich jeweils um zwei zueinander komplementäre Nukleotidstränge, wobei jeweils einer der beiden Nukleotidstränge an den Fängerprimer direkt gebunden ist. Zur Vorbereitung der Sequenzierung kann der nicht direkt an den Primer gebundene Nukleotidstrang durch Lösung der Wasserstoffbrücken entfernt werden, beispielsweise unter Einsatz einer Natronlauge. Die Natronlauge kann dabei sowohl zur Entfernung dieser Nukleotidstränge als auch zur oben beschriebenen Spülung verwendet werden. Die Natronlauge kann eine Nucleotide strands may have two hydrogen-bonded sequences of nucleotides that are complementary to each other, and one end of a sequence is each bound to a capture primer or is the extension thereof. In other words, each are two mutually complementary nucleotide strands, one of the two nucleotide strands being directly bound to the capture primer. To prepare for the sequencing, the nucleotide strand not directly bound to the primer can be removed by dissolving the hydrogen bonds, for example using a sodium hydroxide solution. The caustic soda can be used both for the removal of these nucleotide strands and for the flushing described above. The caustic soda can a
Konzentration von 0,1 Molar und weitere Stoffe wie Detergenzien oder Salze aufweisen. Anschließend kann mit Tris-(hydroxymethyl)- aminomethanhydrochlorid, kurz Tris-HCI, oder Kochsalzlösung gewaschen werden, um insbesondere die Natronlauge zur neutralisieren. Concentration of 0.1 molar and have other substances such as detergents or salts. Subsequently, it is possible to wash with tris- (hydroxymethyl) -aminomethane hydrochloride, tris-HCl for short, or saline solution, in order in particular to neutralize the sodium hydroxide solution.
In einem vierten Schritt 504 wird die Sequenz der gebundenen Nukleotidstränge bestimmt, insbesondere über ein sequencing-by-synthesis- Verfahren, welches imIn a fourth step 504, the sequence of the bound nucleotide strands is determined, in particular via a sequencing-by-synthesis method, which is described in US Pat
Folgenden beispielhaft dargelegt wird. Der vierte Schritt 504 kann dabei vorzugsweise die folgenden Schritte fünf bis zehn umfassen. The following is exemplified. The fourth step 504 may preferably comprise the following steps five to ten.
In einem fünften Schritt 505 wird der Sequenzierprimer 401 zu den gebundenen ersten Nukleotidsträngen gegeben, wobei der Sequenzierprimer 401 derart ausgestaltet ist, dass er an ein freies Ende der ersten Nukleotidstränge 400 anbindet, wie in Figur 2b dargestellt. In einem sechsten Schritt 506 erfolgt eine Zugabe von Nukleotiden einer von mehreren vorgegebenen Sorten zu den gebundenen ersten Nukleotidsträngen, wobei die zugegebenen Nukleotide ein Label, vorzugsweise eine Fluorophor, und einen Polymeraseterminator aufweisen. Insbesondere handelt es sich bei den vorgegebenen Sorten um Adenosintriphosphat, Guanosintriphosphat, Cytidintriphosphat und In a fifth step 505, the sequencing primer 401 is added to the bound first nucleotide strands, wherein the sequencing primer 401 is designed to bind to a free end of the first nucleotide strands 400, as shown in Figure 2b. In a sixth step 506, nucleotides of one of a plurality of predetermined types are added to the bound first nucleotide strands, the added nucleotides having a label, preferably a fluorophore, and a polymerase terminator. In particular, the prescribed varieties are adenosine triphosphate, guanosine triphosphate, cytidine triphosphate and
Thymidintriphosphat. Als Fluorophore eignen sich beispielsweise Thymidine triphosphate. Examples of suitable fluorophores are
Cyaninfarbstoffe wie Cy3, oder Cy5 oder Atto-Äquivalente. Beispielsweise handelt es sich bei dem Polymeraseterminator um eine Veresterung der 3'- Hydroxyl-Gruppe eines Nukleotids. Die Zugabe erfolgt dabei unter Beigabe von Polymerase, so dass eine Bindung jeweils eines der zugegebenen Nukleotide an die gebundenen Nukleotidstränge erfolgt, wenn eine Komplementarität des zugegebenen Nukleotids mit dem in Bezug auf den gebundenen Cyanine dyes such as Cy3, or Cy5 or Atto equivalents. For example, the polymerase terminator is an esterification of the 3 ' Hydroxyl group of a nucleotide. The addition is carried out with the addition of polymerase, so that each binding of one of the added nucleotides to the bound nucleotide strands takes place when a complementarity of the added nucleotide with the bound in relation to the
Sequenzierprimer nächstgelegenen Nukleotids ohne komplementären Nukleotid eines jeweiligen gebundenen ersten Nukleotidstrangs vorliegt. Die Zugabe der Polymerase kann dabei gemeinsam oder vor der Zugabe der Nukleotide erfolgen. In einem siebten Schritt 507 werden ungebundene Nukleotide entfernt, vorzugsweise über eine Spülung der Festphase, beispielsweise mit PBS, bevor in einem achten Schritt 508 eine Detektion der gebundenen Nukleotide über Detektion des Labels erfolgt. Für die optische Detektion kann ein konventionelles optisches System bestehend aus Anregungslicht, Anregungsfilter, Detektionsfilter und Detektor zum Einsatz kommen. Sequencing primer nearest nucleotide is present without complementary nucleotide of a respective bound first nucleotide strand. The addition of the polymerase can be carried out together or before the addition of the nucleotides. In a seventh step 507, unbound nucleotides are removed, preferably via a rinse of the solid phase, for example with PBS, before, in an eighth step 508, a detection of the bound nucleotides takes place via detection of the label. For optical detection, a conventional optical system consisting of excitation light, excitation filter, detection filter and detector can be used.
Wenn die Sequenz der gebundenen Nukleotide über die Detektion der Label noch nicht bis zu einer gewünschte Länge bestimmt ist, erfolgt in einem neunten 509 Schritt eine Entfernung des Labels und des Polymeraseterminators, beispielsweise über eine Spülung der gebundenen ersten Nukleotidstränge mit Na2PdCI4/P(PhS03Na)3 als Puffer bei einer Verwendung von 3'-0-allyl Gruppen als Polymeraseterminator. Dadurch werden an den gebundenen ersten If the sequence of the bound nucleotides via the detection of the labels is not yet determined to a desired length, removal of the label and the polymerase terminator takes place in a ninth 509 step, for example via rinsing of the bound first nucleotide strands with Na 2 PdCl 4 / P (PhSO 3Na) 3 as a buffer when using 3'-0-allyl groups as a polymerase terminator. This will be tied to the first
Nukleotidstränge freie 3'-Hydroxyenden generiert, wodurch ein Einbau des nächsten komplementären Nukleotides ermöglicht wird. Anschließend erfolgt in einem zehnten Schritt 510 eine erneute Zugabe von Polymerase und von Nukleotiden einer der anderen vorgegebenen Sorten mit Label und Nucleotide strands generated free 3'-hydroxy ends, which allows incorporation of the next complementary nucleotide. Subsequently, in a tenth step 510, a new addition of polymerase and of nucleotides of one of the other prescribed varieties with label and
Polymeraseterminator und eine Wiederholung der oben ausgeführten Schritte sieben 507 bis zehn 510, bis die Sequenz der gebundenen Nukleotide bis zur gewünschten oder vorgegebenen Länge über die Detektion der Label in einem der achten Schritte 508 bestimmt ist. Polymerase terminator and a repetition of the above steps seven 507 to ten 510 until the sequence of the bound nucleotides to the desired or predetermined length on the detection of the label in one of the eighth steps 508 is determined.

Claims

Ansprüche claims
1. Reaktionsträger (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Nukleotidsequenz, umfassend mindestens eine erste Ausnehmung (101) und eine zweite Ausnehmung (102), wobei in der ersten Ausnehmung (101) erste Fängerprimer (121) und in der zweiten Ausnehmung (102) zweite Fängerprimer (122) an einer Festphase (110) immobilisiert sind, wobei die ersten Fängerprimer (121) von den zweiten Fängerprimern (122) verschieden sind. A reaction carrier (100) for a microfluidic device (200) for determining a nucleotide sequence comprising at least a first recess (101) and a second recess (102), wherein in the first recess (101) first capture primer (121) and in the second capture primer (122) are immobilized on a solid phase (110), wherein the first capture primers (121) are different from the second capture primers (122).
2. Reaktionsträger (100) nach Anspruch 1, wobei die Festphase (110) magnetische Partikel (110) umfasst. The reaction carrier (100) of claim 1, wherein the solid phase (110) comprises magnetic particles (110).
3. Reaktionsträger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 3. reaction carrier (100) according to any one of the preceding claims, wherein the
Festphase (110) zumindest einen Teil einer Wand (131) oder eines Bodens (132) der ersten und/oder der zweiten Ausnehmung (101, 102) umfasst.  Solid phase (110) at least part of a wall (131) or a bottom (132) of the first and / or the second recess (101, 102).
4. Reaktionsträger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 4. reaction carrier (100) according to any one of the preceding claims, wherein the
Festphase (110) poröses Material umfasst, wobei die ersten und/oder die zweiten Fängerprimer (121, 122) in Poren des porösen Materials immobilisiert sind.  Solid phase (110) comprises porous material, wherein the first and / or second capture primers (121, 122) are immobilized in pores of the porous material.
5. Reaktionsträger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in 5. reaction carrier (100) according to any one of the preceding claims, wherein in
zumindest einer der Ausnehmungen (101, 102, 103) weitere Primer (121, 122, 123) für die Bestimmung der Nukleotidsequenz in ungebundener Form vorliegen.  at least one of the recesses (101, 102, 103) further primers (121, 122, 123) for the determination of the nucleotide sequence in unbound form.
6. Reaktionsträger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in 6. reaction carrier (100) according to any one of the preceding claims, wherein in
zumindest einer der Ausnehmungen (101, 102, 103) weitere Primer (121, 122, 123) und/oder Reagenzien für die Durchführung einer Amplifikationsreaktion,  at least one of the recesses (101, 102, 103) further primers (121, 122, 123) and / or reagents for carrying out an amplification reaction,
insbesondere einer Polymerase- Kettenreaktion, vorliegen, insbesondere in getrockneter Form. in particular a polymerase chain reaction, in particular in dried form.
7. IVlikrofluidische Vorrichtung (200) mit einem Reaktionsträger (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktionsträger (100) in der mikrofluidischen Vorrichtung (200) angeordnet ist. 7. IVlikrofluidische device (200) with a reaction carrier (100) according to any one of the preceding claims, wherein the reaction carrier (100) in the microfluidic device (200) is arranged.
8. IVlikrofluidische Vorrichtung (200) nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (200) einen Bereich (210) für eine Vorvervielfältigung und vorzugsweise Verdünnung von zu sequenzierenden Nukleotidsträngen (400) aufweist. The IV microfluidic device (200) of claim 7, wherein the device (200) comprises a region (210) for pre-amplification and, preferably, dilution of nucleotide strands (400) to be sequenced.
9. IVlikrofluidische Vorrichtung (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mikrofluidische Vorrichtung (200) einen an den Reaktionsträger (100) angrenzenden Bereich (105) aufweist, wobei der Bereich (105) für eine Aufnahme eines Magneten (300) derart ausgebildet ist, dass sich ein Magnetfeld des Magneten (300) zur Fixierung einer magnetischen oder magnetisierbaren Festphase (110) in den Ausnehmungen (101, 102, 103) in eine oder mehrere der Ausnehmungen (101, 102, 103) erstrecken kann. The microfluidic device (200) according to claim 7 or 8, wherein the microfluidic device (200) has a region (105) adjoining the reaction support (100), wherein the region (105) is designed for receiving a magnet (300) in that a magnetic field of the magnet (300) for fixing a magnetic or magnetizable solid phase (110) in the recesses (101, 102, 103) can extend into one or more of the recesses (101, 102, 103).
10. Verfahren (500) zum Bestimmen einer Nukleotidsequenz mit einem Reaktionsträger (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung (200), umfassend die Schritte: 10. Method (500) for determining a nucleotide sequence with a reaction carrier (100) for a microfluidic device (200), comprising the steps:
• Immobilisieren (501) von ersten Fängerprimern (121) in einer ersten Immobilizing (501) first capture primers (121) in a first
Ausnehmung (101) und von zweiten Fängerprimern (122) in einer zweiten Ausnehmung (122) an einer Festphase (110) des Reaktionsträgers (100), wobei die ersten Fängerprimer (121) von den zweiten Fängerprimern (122) verschieden sind.  Recess (101) and second capture primers (122) in a second recess (122) on a solid phase (110) of the reaction support (100), wherein the first capture primers (121) are different from the second capture primers (122).
• Binden (502) von Nukleotidsträngen (400) an die ersten und/oder zweiten Fängerprimer (121, 122). Binding (502) nucleotide strands (400) to the first and / or second capture primers (121, 122).
• Bestimmen (504) einer Sequenz der gebundenen Nukleotidstränge (400). Determining (504) a sequence of bound nucleotide strands (400).
11. Verfahren (500) nach Anspruch 10, wobei die Nukleotidstränge (400) vor der Bindung an die Fängerprimer (121, 122) über eine Polymerase- Kettenreaktion vervielfältigt werden. The method (500) of claim 10, wherein the nucleotide strands (400) are amplified via a polymerase chain reaction prior to binding to the capture primers (121, 122).
12. Verfahren (500) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Schritt des Immobilisierens (501) eine Bindung der Fängerprimer (121, 122, 123) an eine Festphase (110) umfasst. The method (500) of claim 10 or 11, wherein the immobilizing step (501) comprises binding of the capture primers (121, 122, 123) to a solid phase (110).
13. Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Bindung der 13. The method (500) according to any one of claims 10 to 12, wherein the binding of the
Fängerprimer (121, 122, 123) an die Festphase (110) vor der Immobilisierung der Festphase am Reaktionsträger (100) erfolgt.  Capture primer (121, 122, 123) to the solid phase (110) before immobilization of the solid phase on the reaction support (100).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei während des Bindens (502) der Nukleotidstränge (400) an die ersten und/oder zweiten Fängerprimer (121, 122) ein Verschluss der Ausnehmungen (101, 102, 103) erfolgt, insbesondere durch eine Abdeckung mit einer unpolaren Flüssigkeit. 14. The method according to any one of claims 10 to 13, wherein during the binding (502) of the nucleotide strands (400) to the first and / or second capture primer (121, 122), a closure of the recesses (101, 102, 103), in particular through a cover with a non-polar liquid.
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