[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 14.
[0002] Eine solche Vorrichtung, die häufig auch als Thermocycler bezeichnet wird, weist
ein Basisgerät, das wenigstens einen Aufnahmebereich für wenigstens eine wechselbare
Reaktionseinheit aufweist, und wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit, die wenigstens
ein Reaktionsgefäß für eine Probe aufweist und zum Platzieren in den Aufnahmebereich
des Basisgeräts ausgebildet ist, auf. Mit einem derartigen Thermocycler können zum
Beispiel Temperaturzyklen gefahren werden, die zur Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion
(PCR) erforderlich sind. Die PCR Reaktion ist beispielsweise hinlänglich beschrieben
in den U.S. Patenten
US 4,683,202,
US 4,683,195,
US 4,889,818 und
EP 258,017.
[0003] Bei einem herkömmlichen Thermocycler (
US 6,703,236) weist der Basiskörper eine Heiz- und Kühleinrichtung im Aufnahmebereich auf, in
den dann die Reaktionsgefäße, die die zu amplifizierenden Proben enthalten, eingesetzt
werden. Je nach Ausführungsform kann zusätzlich ein Deckel an dem Basisgerät vorgesehen
sein, der entweder nur als Heizdeckel ausgeformt ist (
US 5,475,610), oder zusätzlich noch eine optische Messeinrichtung beinhaltet, um eine Fluoreszenzanregung
der Proben zu bewirken und auszuwerten und so eine Realtime-PCR durchzuführen (
US 5,928,907).
[0004] An den Schnittstellen zwischen dem Basisgerät und den eingesetzten Reaktionsgefäßen
kommt es zwangsweise zu Verlusten bei der Übertragung von Wärme, Strahlung und dergleichen.
Beispielsweise ist bei den herkömmlichen Thermocyclern der Basiskörper als Metallblock
ausgestaltet, der Bohrungen als Aufnahmebereich enthält, in die dann die Reaktionsgefäße
eingesetzt werden. Um die in den Reaktionsgefäßen enthaltenen Proben einer PCR Reaktion
zu unterwerfen, muss der gesamte Metallblock zyklisch aufgeheizt und gekühlt werden.
Dafür sind bei den herkömmlichen Geräten Heizelemente und Kühlelemente unterhalb des
Metallblocks positioniert. Diese Art der Temperierung ist sehr energieaufwendig und
es treten lokale Temperaturabweichungen von der angestrebten/eingestellten Temperatur
auf. Letzteres hat zur Folge, dass aufgrund dieser Inhomogenitäten nicht jede Probe
exakt den gleichen Temperaturen ausgesetzt ist, und die Ergebnisse somit temperaturbedingt
voneinander abweichen können.
[0005] Bei der Durchführung einer Real-Time PCR mit herkömmlichen Real-Time - Thermocyclern
liegt ein langer optischer Strahlenweg zwischen Probe und Detektionseinrichtung. Aufgrund
des langen optischen Strahlenweges kommt es zu Signalverlusten sowohl bei der Einstrahlung
des anregenden Signals wie auch bei der Detektion des emittierten Signals. Weiterhin
erhöht der lange optische Strahlenweg die Wahrscheinlichkeit, dass Partikel (Schmutz
und Feuchtigkeit) in den Strahlenweg eindringen und die Signalstärke negativ beeinflussen.
[0006] Aus dem Stand der Technik sind miniaturisierte Thermocycler bekannt, die einen Teil
dieser Nachteile herkömmlicher Geräte zu umgehen suchen. In diesem Zusammenhang sind
zum Beispiel die
US 2006/0288708 A1 und die
WO 98/50147 A1 zu erwähnen. Beides sind miniaturisierte Fluss-Thermocycler, bei denen die wesentlichen
Komponenten der Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben in Chipgröße
realisiert sind. Diesen miniaturisierten Reaktionssystemen ist gemeinsam, dass sie
jeweils einen Probenkanal zum Durchleiten einer Probe sowie wenigstens je eine Heizzone
und eine Kühlzone in thermischem Kontakt zum Probenkanal beinhalten, welche Komponenten
üblicherweise auf einem wärmeisolierenden Substrat angeordnet sind. Beide Vorrichtungen
der genannten Druckschriften verwenden zum Aufbau der Heiz-und Kühlzonen jeweils Peltier-Komponenten.
Im Fall der
US 2006/0288708 A1 ist zusätzlich ein Fluidkanal in thermischem Kontakt zu den Peltier-Komponenten vorgesehen,
um die überschüssige Wärme bzw. Kälte, die beim Kühlen bzw. Heizen des Probenkanals
durch die Peltier-Komponenten entsteht, mittels eines Fluidstroms abzuführen; außerdem
ist die Integration eines Temperatursensors und eines optischen Detektionssystems
in den Chip möglich. Derartige miniaturisierte Fluss-Thermocycler sind naturgemäß
nur zum Behandeln sehr kleiner Probenvolumina im Durchflussverfahren geeignet. Sie
sind auch nicht dazu ausgelegt, amplifizierte Proben aus den miniaturisierten Reaktionssystemen
wieder zurück zu gewinnen. Da an diesen Fluss-Thermocyclern sowohl Heiz- als auch
Kühleinrichtungen angebracht sind, besteht beim Umgang mit diesen die Gefahr der Verbrennungen.
[0007] Es besteht deshalb Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen
in Proben, die eine höhere Betriebseffizienz aufweisen als die herkömmlichen Geräte,
weiterhin besteht Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung die ein genaueres Temperieren
ermöglichen; weiterhin besteht Bedarf an einer verbesserten Vorrichtung die sicheres
Zuordnen der Messwerte zu den einzelnen Proben erlaubt; weiterhin besteht Bedarf an
einer verbesserten Vorrichtung, die all diese Eigenschaften besitzt und zusätzlich
kein Verbrennungsrisiko birgt.
[0008] Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung
zum Durchführen von Reaktionen in Proben bereitzustellen, welche die oben genannten
Nachteile bekannter Vorrichtungen vermeidet. Insbesondere soll eine Vorrichtung geschaffen
werden, die eine genauere, energieeffizientere und besser kontrollierte Durchführung
der Reaktionen in den jeweiligen Proben erlaubt.
[0009] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in
Proben mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0010] Die Vorrichtung hat ein Basisgerät, das wenigstens einen Aufnahmebereich für wenigstens
eine wechselbare Reaktionseinheit aufweist, und wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit,
die wenigstens ein Reaktionsgefäß für eine Probe aufweist und zum Platzieren in den
Aufnahmebereich des Basisgeräts ausgebildet ist. Die wechselbare Reaktionseinheit
weist wenigstens eine Einheit zur Wechselwirkung mit der Probe in dem wenigstens einen
Reaktionsgefäß sowie eine erste Kopplungseinrichtung, die mit der Wechselwirkungseinheit
verbunden ist, auf; und das Basisgerät weist eine zweite Kopplungseinrichtung zum
Koppeln mit der ersten Kopplungseinrichtung der wechselbare Reaktionseinheit zur Kopplung
mit der Wechselwirkungseinheit auf.
[0011] Im Gegensatz zu den herkömmlichen Reaktionssystemen wird ein System bestehend aus
einem Basisgerät umfassend einen Temperierkörper, der vorzugsweise zum Abführen überschüssiger
Wärme eingesetzt wird, also als Kühlkörper funktioniert, und einer lösbaren bzw. wechselbaren
Reaktionseinheit, geschaffen. Durch die Integration der Wechselwirkungseinheit in
die wechselbare Reaktionseinheit steht diese Wechselwirkungseinheit in direkterer
Wechselwirkung mit dem Reaktionsgefäß bzw. der Probe darin, sodass zum Beispiel Verluste
aufgrund von Schnittstellen und langen Übertragungswegen zwischen dem Basisgerät und
der wechselbaren Reaktionseinheit vermieden werden. Auf diese Weise ist es möglich,
die Reaktionen in den Proben im Reaktionsgefäß effizienter, genauer und mit geringerem
Energieaufwand durchzuführen.
[0012] Aufgrund der Integration der Wechselwirkungseinheit(en) in die wechselbare Reaktionseinheit
ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, auf einem Basisgerät verschiedene wechselbare
Reaktionseinheiten mit unterschiedlichen Formen, Größen und Anzahlen von Reaktionsgefäßen
zu verwenden. Außerdem können in den wechselbaren Reaktionseinheiten auch Proben aufbewahrt
bzw. zwischengelagert werden. Ferner können die wechselbaren Reaktionseinheiten bei
Bedarf auch nacheinander auf mehreren Basisgeräten eingesetzt werden, um so an einer
Probe mehrere Reaktionen hintereinander auszuführen.
[0013] Im Folgenden werden zunächst einige der verwendeten Begriffe definiert und erläutert.
[0014] Der Begriff "Reaktionen in den Proben" umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung
alle denkbaren Beeinflussungen der Probenvolumina in den Reaktionsgefäßen. Insbesondere
zählen zu diesen Reaktionen auch das Temperieren (Erhöhen, Verringern oder Halten
der Temperatur) sowie verschiedene chemische, biologische und physikalische Reaktionen.
Des Weiteren wird unter diesem Begriff auch das Durchführen von Detektionsreaktionen
mittels Fluoreszenz und/oder elektrischer Leitfähigkeit verstanden. Unter den Begriff
fallen auch Kombinationen der Beeinflussungsmaßnahmen, wie beispielsweise Temperieren
und Detektieren.
[0015] Der Begriff der "Wechselwirkung mit der Probe" enthält alle denkbaren Wechselwirkungen
zwischen einem Element und der Probe, insbesondere solche zum Auslösen bzw. Anregen
von Reaktionen in der Probe, Erfassen und Überwachen von chemischen, biologischen
und/oder physikalischen Eigenschaften der Probe, Temperieren (d.h. Erhöhen, Verringern
oder Halten der Temperatur) der Probe, und dergleichen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielsweise auch zur Durchführung einer PCR benutzt werden kann, sollen die Wechselwirkungen
insbesondere auch all jene in Zusammenhang mit einer PCR oder Realtime-PCR umfassen.
[0016] Die Begriffe "Einheit zur Wechselwirkung" bzw. "Wechselwirkungseinheit" beschreiben
ein Element, das geeignet ist, Wechselwirkungen mit der Probe einzugehen. Wechselwirkungen
können dabei in beide Richtungen erfolgen: beispielsweise sendet eine Detektionseinrichtung
ein erstes anregendes Signal in die Probe und die Probe reagiert mit einer Emission
eines zweiten Signals, das von der Detektionseinrichtung empfangen wird. Alternativ
handelt es sich um einseitige Wechselwirkungen: beispielsweise kann eine Heizelement
Wärme in die Probe einbringen und so in Wechselwirkung mit der Probe treten, die Probe
selber tritt aber nicht in Wechselwirkung mit dem Heizelement. Falls das Heizelement
ebenfalls über einen Temperatursensor verfügen würde, könnte wieder eine Wechselwirkung
in beide Richtungen erfolgen. Diese letzten Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung
des Prinzips von einseitigen und beidseitigen Wechselwirkungen, und sind nicht als
limitierend zu verstehen. Unter den Begriff "Einheit zur Wechselwirkung" fallen beispielsweise
Elemente wie Temperiereinrichtungen, Detektionseinrichtungen, Strahlungseinrichtungen,
Sensoren sowie jedwede Kombination dieser Elemente.
[0017] Der Begriff "Probe" umfasst im Rahmen dieser Erfindung alle Arten von Fluiden, insbesondere
Flüssigkeiten, Lösungen, Suspensionen, Emulsionen, Reaktionsansätze und dergleichen,
auch im gefrorenen Zustand, die zu bestimmten Zwecken beispielsweise verändert, gemessen,
beobachtet, transportiert gelagert und/oder zwischengelagert werden und/oder werden
sollen. Der Begriff schließt auch Referenzmaterial und Kontrollen ein.
[0018] Der Begriff "Aufnahmebereich" beschreibt einen Bereich des Basiskörpers in den die
wechselbare Reaktionseinheit/en platziert werden kann. Dieser Bereich kann an einem
Stück ausgeformt sein oder auch unterbrochen sein, so dass mehrere Bereiche vorliegen.
Grundsätzlich kann der Aufnahmebereich an beliebiger Position am Basiskörper des Basisgerätes
ausgebildet sein.
[0019] Der Begriff "Reaktionseinheit" beschreibt die Kombination aus Reaktionsgefäß (mit
oder ohne Deckel) und Einheit zur Wechselwirkung. An, auf, in, unter dem Reaktionsgefäß,
einschließlich Deckel, und/oder integriert in eine Wand des Reaktionsgefäßes, einschließlich
Deckelwand, befindet sich somit die Einheit zur Wechselwirkung, die mit dem in der
in dem Reaktionsgefäß befindlichen Probe in Wechselwirkung treten kann.
[0020] Der Begriff "wechselbar" bedeutet im Zusammenhang mit der "Reaktionseinheit", dass
diese nicht dauerhaft mit dem Basiskörper verbunden ist, sondern loslösbar in den
Aufnahmebereich eingesetzt ist und vom Anwender ausgewechselt werden kann.
[0021] Das "wenigstens eine Reaktionsgefäß" in der wechselbaren Reaktionseinheit umfasst
grundsätzlich beliebige Anzahlen von Reaktionsgefäßen. Typische Anzahlen liegen dabei
im Bereich von 1 bis etwa 10.000. Üblicherweise kommen Anzahlen von Reaktionsgefäßen
zum Einsatz, die jenen typischer Array-Formate entsprechen, wie zum Beispiel 8, 12,
16, 24, 64, 96, 256, 384, 1024, 1536, 4096, 6144.
[0022] Die Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Kopplungseinrichtung und damit zwischen
dem Basisgerät und der Wechselwirkungseinheit kann entweder kontaktierend oder berührungslos
(z.B. induktiv, optisch, Infrarot, etc.) erfolgen.
[0023] In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit
als Verbrauchsartikel ausgebildet. Bei einem Verbrauchsartikel bestehen grundsätzlich
eine geringere Kontaminationsgefahr und ein geringerer Reinigungsaufwand. Da in diesem
Fall auch jeweils ungebrauchte wechselbare Reaktionseinheiten mit demzufolge ungebrauchten
Wechselwirkungseinheiten zur Verfügung stehen, können einerseits sehr genaue Spezifikationen
angegeben werden und anderseits höhere Genauigkeiten und Sicherheiten bei den Funktionen
der jeweiligen Wechselwirkungseinheiten erzielt werden.
[0024] Die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit kann zum Beispiel wenigstens eine Temperiereinrichtung
umfassen, die in mittelbaren oder unmittelbaren thermischem Kontakt an, auf, in, unter
und/oder integriert in eine Wand des wenigstens einen Reaktionsgefäß angeordnet ist,
um die Probe in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß zu temperieren, d.h. die Temperatur
der Probe zu erhöhen, zu verringern oder zu halten. Aufgrund der Nähe der Temperiereinrichtung
zu dem Reaktionsgefäß reduzieren sich deutlich die thermischen Masse der Einrichtung
und somit auch der Energieverbrauch der Vorrichtung bei gleichzeitiger Erhöhung der
Temperiergeschwindigkeit und Temperiergegenauigkeit. Falls ein mittelbarer thermischer
Kontakt angestrebt wird, weiß der Fachmann aus den üblichen Maßnahmen wie Graphitleitfolie,
Beschichtungen, Leitpasten etc. auszuwählen.
[0025] Diese Temperiereinrichtung enthält vorzugsweise ein Peltier-Element. Die Art und
die Größe des Peltier-Elements sind dabei an die jeweiligen Reaktionsgefäße in der
wechselbaren Reaktionseinheit angepasst. Derzeit stehen bereits Peltier-Elemente sehr
kleiner Dimensionen zur Verfügung, die zum Beispiel zum Temperieren von Reaktionsgefäßen
mit einem Probenvolumen im Bereich von etwa 0,1 bis 100 µl geeignet sind. Alternativ
können auch andere Arten von Temperiereinrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise
elektrische oder induktive Heizsysteme.
[0026] Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit wenigstens
eine Einrichtung zum Anregen bzw. Auslösen einer Reaktion der Probe in dem wenigstens
einen Reaktionsgefäß umfassen. Diese Anregungseinrichtung enthält zum Beispiel eine
Vorrichtung zur Energiezufuhr zum Zuführen von z.B. elektromagnetischer Strahlung,
Wärme, etc. zur Probe in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß, die in einer speziellen
Ausführungsform eine Lichtquelle zur Fluoreszenzanregung der Probe aufweisen kann.
[0027] Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit ferner
wenigstens eine Einrichtung zum Detektieren einer physikalischen, chemischen und/oder
biologischen Eigenschaft der Probe in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß umfassen.
Diese Detektionseinrichtung enthält zum Beispiel einen Temperatursensor zum Erfassen
einer Temperatur des wenigstens einen Reaktionsgefäßes bzw. der Probe in dem wenigstens
einen Reaktionsgefäß und/oder eine Vorrichtung zum Erfassen von elektromagnetischer
Strahlung, die von der Probe in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß emittiert oder
durch die Probe in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß hindurch gelassen wird. Im
Fall des Temperatursensors kann dieser entweder in thermischem Kontakt mit dem wenigstens
einen Reaktionsgefäß und/oder mit der Probe in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß
stehen oder zum berührungslosen Erfassen der Temperatur des wenigstens einen Reaktionsgefäßes
und/oder der Probe (38) in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß ausgebildet sein. Weitere
Detektionseinrichtungen enthalten zum Beispiel Sensoren zum Erfassen einer elektrischen
Leitfähigkeit, eines Oberflächenpotentials, einer Kapazität und/oder Biosensoren zum
Erfassen biologischer Substanzen und/oder Eigenschaften der Proben. Insbesondere sind
Biosensoren denkbar, die auf dem Hybridisierungsprinzip beruhen.
[0028] Die Integration von Detektionseinrichtungen in die wechselbare Reaktionseinheit erhöht
die Messgenauigkeit, da die Erfassung der Messwerte sehr dicht an der Probe erfolgt
und eine definierte geometrische Anordnung der beteiligten Komponenten mit wenigen
Schnittstellen vorliegt.
[0029] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit
in einen Regelkreis der Vorrichtung integriert. So kann zum Beispiel das Temperieren
der Proben in der wechselbaren Reaktionseinheit mittels des integrierten Temperatursensors
sehr genau geregelt werden. Als weiteres Beispiel kann eine Reaktion in den Proben
bei Erreichen einer gewünschten chemischen, biologischen und/oder physikalischen Eigenschaft
der Proben, welche überwacht wird, abgebrochen, unterbrochen oder variiert werden.
[0030] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die wechselbare Reaktionseinheit
mehrere Reaktionsgefäße auf und jedem der mehreren Reaktionsgefäße ist eine eigene
Wechselwirkungseinheit zugeordnet. Alternativ weist die wechselbare Reaktionseinheit
mehrere Reaktionsgefäße auf und allen Reaktionsgefäßen ist eine gemeinsame Wechselwirkungseinheit
zugeordnet. Gemäß einer weiteren Alternative weist die wechselbare Reaktionseinheit
mehrere Gruppen von Reaktionsgefäßen auf und jeder der mehreren Gruppen von Reaktionsgefäßen
ist eine eigene Wechselwirkungseinheit zugeordnet. Ferner ist es möglich, auch Mischformen
der genannten Alternativen zu realisieren. So ist es zum Beispiel denkbar, dass allen
Reaktionsgefäßen einer wechselbaren Reaktionseinheit eine gemeinsame Temperiereinrichtung
zugeordnet ist, aber jedes Reaktionsgefäß eine eigene Strahlungsquelle und einen eigenen
Strahlungsdetektor aufweist.
[0031] In einer noch weiteren Ausgestaltung ist die wechselbare Reaktionseinheit einschließlich
des Reaktionsgefäßes zum Durchführen einer PCR und/oder einer Realtime-PCR ausgebildet.
Der Fachmann auf dem Gebiet von Laborgeräten wird ohne weiteres hierfür geeignete
Materialien und Dimensionen der Reaktionsgefäße auswählen können.
[0032] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Reaktionsgefäß
zum Aufnehmen einer Probe bei minimalem Gasvolumen ausgebildet sein, sodass zum Beispiel
eine Kondensatvermeidung nicht erforderlich ist. Zu diesem Zweck kann das Reaktionsgefäß
beispielsweise über einen Überlaufbereich verfügen oder eine flexible Begrenzungsfläche
aufweisen. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass kein zusätzlicher
Heizdeckel zum Beheizen des Reaktionsgefäßes bzw. der Probe von oben erforderlich
ist.
[0033] In einer alternativen Ausführungsform ist die wechselbare Reaktionseinheit mit einer
zusätzlichen Heizvorrichtung zur Kondensatvermeidung in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß
versehen. Alternativ weist die Basisvorrichtung einen Deckel auf, der den wechselbaren
Reaktionseinheiten im Betrieb der Vorrichtung aufliegt. Zur Kondensatvermeidung kann
dieser Deckel als herkömmlicher Heizdeckel ausgestaltet sein.
[0034] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Kopplungseinrichtung
des Basisgeräts im Bereich des Aufnahmebereichs vorgesehen und weist einen gefederten
Kontakt auf. Auch die erste Kopplungseinrichtung an der wechselbaren Reaktionseinheit
weist bevorzugt einen gefederten Kontakt auf. Durch den bzw. die gefederten Kontakt(e)
kann ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen der ersten und der zweiten Kopplungseinrichtung
auch bei unterschiedlichen geometrischen Ausführungen zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen
gewährleistet werden. Alternativ ist es auch möglich, die Kopplungseinrichtungen an
anderen Stellen als im Aufnahmebereich des Basisgeräts vorzusehen. Außerdem sind neben
der hier genannten kontaktierenden Kopplung auch berührungslose Kopplungen möglich,
was insbesondere für die Übertragung von Steuerdaten und Messdaten vorteilhaft sein
kann.
[0035] In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Basisgerät auch mehrere
Aufnahmebereiche für jeweils wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit aufweisen.
[0036] Alternativ ist das Basisgerät mit einem Aufnahmebereich für mehrere wechselbare Reaktionseinheiten
versehen.
[0037] Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Basisgerät
wenigstens eine weitere Einheit zur Wechselwirkung mit der Probe in dem wenigstens
einen Reaktionsgefäß auf. Beispielsweise können die Temperiereinrichtungen sowie die
Temperatursensoren in die wechselbare Reaktionseinheit integriert werden, während
die Strahlungsquelle und der Detektor zur Fluoreszenzmessung weiter am Basisgerät
vorgesehen werden.
[0038] Zur einfacheren und genaueren Positionierung der wechselbaren Reaktionseinheit im
Aufnahmebereich des Basisgeräts weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Führungseinrichtung
auf. Auf diese Weise ist auch eine sichere Kopplung zwischen den ersten und zweiten
Kopplungseinrichtungen gewährleistet. Zum Beispiel können die wechselbare Reaktionseinheit
mit wenigstens einem ersten Führungselement und das Basisgerät mit wenigstens einem
entsprechenden zweiten Führungselement versehen sein oder die wechselbare Reaktionseinheit
ist selbst mit einer Führungsfläche ausgebildet, welche in einem entsprechend geformten
Aufnahmebereich des Basisgeräts geführt werden kann.
[0039] Ferner kann das Basisgerät auch eine Bedieneinrichtung mit Bedienelementen und/oder
Anzeigeelementen sowie optional eine Schnittstelle zur Verbindung bzw. Kommunikation
des Basisgeräts mit einer oder mehreren externen Vorrichtungen aufweisen.
[0040] In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die wenigstens eine wechselbare
Reaktionseinheit ferner wenigstens eine Identifikationseinrichtung zum eindeutigen
Identifizieren der wenigstens einen wechselbaren Reaktionseinheit und/oder des wenigstens
einen Reaktionsgefäßes in der wechselbaren Reaktionseinheit auf. Durch eine solche
Identifikationseinrichtung, die zum Beispiel in Form eines Halbleiterelements, beispielsweise
ein Siliziumchip, eines Barcodes, eines RFID-Systems oder dergleichen realisiert sein
kann, können die wechselbaren Reaktionseinheiten und ihre Reaktionsgefäße eindeutig
identifiziert werden, was eine bessere, sicherere und einfachere Datenauswertung bei
der Durchführung der Reaktionen in den Proben ermöglicht. Diese Maßnahme ist insbesondere
auch dann von Vorteil, wenn die wechselbaren Reaktionseinheiten nacheinander auf mehreren
Geräten oder Vorrichtungen benutzt werden sollen. In einer speziellen Ausgestaltung
erlaubt eine Temperiereinrichtung mit einem Peltier-Element auf Silizium basis (allgemein:
mit einem Halbleiterelement) gleichzeitig eine solche Identifikation, indem die Identifikationsfunktion
in das Halbleiterelement integriert wird.
[0041] Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand
der nachfolgenden Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele unter
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung des Grundaufbaus einer Vorrichtung zum Durchführen von
Reaktionen in Proben gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Figur 2
- eine schematische Schnittdarstellung des wesentlichen Teils eines ersten Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben;
- Figuren 3A
- und 3B jeweils eine vergrößerte Teilschnittansicht von zwei Varianten der Einzelheit
X in Fig. 2;
- Figur 4
- eine schematische Schnittdarstellung des wesentlichen Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben;
- Figur 5
- eine schematische Schnittdarstellung des wesentlichen Teils eines dritten Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben;
- Figur 6
- eine schematische Schnittdarstellung des wesentlichen Teils eines vierten Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben; und
- Figur 7
- eine schematische Schnittdarstellung des wesentlichen Teils eines fünften Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben.
[0042] Bezug nehmend auf Fig. 1 wird zunächst der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Durchführen von Reaktionen in Proben näher erläutert.
[0043] Die Vorrichtung hat ein Basisgerät 10 mit einem Basiskörper 11, der vorzugsweise
mit einer Bedieneinrichtung 12 für den Benutzer versehen ist, wobei die Bedieneinrichtung
12 Anzeigeelemente 14 und Bedienelemente 16 zum Steuern und Überwachen der gewünschten
Reaktionen in Proben aufweist. Das Basisgerät 10 enthält üblicherweise auch eine Steuerung
(nicht dargestellt), um den Ablauf der Reaktionen selbständig zu steuern und zu überwachen,
insbesondere um die später erläuterten Wechselwirkungseinheiten des Basisgeräts 10
und der wechselbaren Reaktionseinheiten 22 zu steuern und mit ihnen zu kommunizieren.
[0044] Optional kann das Basisgerät 10 auch über eine Schnittstelle 18 verfügen, über welche
das Basisgerät mit externen Vorrichtungen (Steuergeräten, Bildschirme, Drucker, etc.)
bei Bedarf verbunden werden kann.
[0045] Das Basisgerät 10 ist ferner mit wenigstens einem Aufnahmebereich 20 für wenigstens
eine wechselbare Reaktionseinheit 22 versehen. Es ist dabei im Rahmen der Erfindung
möglich, genau einen Aufnahmebereich für genau eine wechselbare Reaktionseinheit vorzusehen,
genau einen Aufnahmebereich für mehrere wechselbare Reaktionseinheiten vorzusehen,
mehrere Aufnahmebereiche für jeweils genau eine wechselbare Reaktionseinheit vorzusehen
oder mehrere Aufnahmebereiche für jeweils mehrere wechselbare Reaktionseinheiten vorzusehen.
Der wenigstens eine Aufnahmebereich 20 ist vorzugsweise an der Oberseite des Basisgeräts
10 vorgesehen, ohne auf diese Position beschränkt zu sein. In einer Ausführungsform
ist der Aufnahmebereich im oder auf dem Temperierkörper des Basisgeräts ausgebildet.
[0046] Außerdem können die wechselbaren Reaktionseinheiten 22 in vorteilhafter Weise auch
als Verbrauchsartikel konzipiert sein. Dies reduziert den Reinigungsaufwand und ermöglicht
eine geringere Kontaminationsgefahr der Reaktionsgefäße in den wechselbaren Reaktionseinheiten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die wechselbaren Reaktionseinheiten aber
natürlich auch als mehrfach verwendbare Artikel konzipiert sein.
[0047] Ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung zum Durchführen von chemischen
und/oder biologischen und/oder physikalischen Reaktionen in Proben wird nun unter
Bezugnahme auf Fig. 2 im Detail beschrieben.
[0048] Fig. 2 zeigt dabei den Ausschnitt des Aufnahmebereichs 20 des Basisgeräts 10 mit
einer darauf platzierten wechselbaren Reaktionseinheit 22. Ausführungsformen mit mehreren
Aufnahmebereichen 20 und/oder mehreren wechselbaren Reaktionseinheiten 22 sind natürlich
analog aufgebaut.
[0049] Wie in der Einzelheit von Fig. 3A bzw. 3B dargestellt, ist die wechselbare Reaktionseinheit
22 vorzugsweise mit wenigstens einem ersten Führungselement 24 zum Beispiel in Form
einer Ausnehmung bzw. Hülse versehen und im Aufnahmebereich 20 des Basisgeräts 10
ist ein zweites Führungselement 26 zum Beispiel in Form eines entsprechenden Führungsstifts
ausgebildet, der in dem ersten Führungselement 24 geführt werden kann, um die wechselbare
Reaktionseinheit 22 genau auf dem Aufnahmebereich 20 des Basisgeräts zu platzieren.
Eine genaue Platzierung der wechselbaren Reaktionseinheit 22 ist insbesondere im Hinblick
auf eine sichere Kopplung zwischen den Kopplungseinrichtungen, die später erläutert
werden, für die Funktionsweise der Vorrichtung wichtig.
[0050] Während das erste Führungselement 24 an der wechselbaren Reaktionseinheit 22 zum
Beispiel in/an einer Seitenwand des später erläuterten Reaktionsgefäßes 32 ausgebildet
ist, ist das zweite Führungselement 26 zum Beispiel im Temperierkörper 30 im / am
Aufnahmebereich 20 des Basisgeräts 10 vorgesehen.
[0051] Wie in der Variante von Fig. 3B veranschaulicht, ist es zur einfacheren Positionierung
von Vorteil, die Führungsbuchse 24 zumindest teilweise konisch auszubilden, um die
Zentrierung der beiden Führungselemente 24, 26 zueinander zu erleichtern. Obwohl nicht
separat dargestellt, ist es natürlich ebenso möglich, den Führungsstift 26 des Basisgeräts
10 zumindest teilweise konisch auszuführen.
[0052] Ferner kann das Konzept der beiden ineinander greifenden Führungselemente 24, 26
natürlich auch umgekehrt werden. Mit anderen Worten kann das erste Führungselement
24 an der wechselbaren Reaktionseinheit 22 auch in Stiftform und das zweite Führungselement
26 am Basisgerät 26 auch in Form einer Aussparung oder Führungsbuchse ausgebildet
werden.
[0053] Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere, bevorzugt wenigstens
zwei erste und zweite Führungselemente 24, 26 aufweisen.
[0054] Diese Führungs- bzw. Positionierungseinrichtung 24, 26 ist bevorzugt natürlich auch
bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen.
[0055] Die Erfindung ist selbstverständlich nicht nur auf die hier beschriebenen und dargestellten
Führungselemente 24, 26 beschränkt. So können die Führungselemente alternativ auch
an den Seitenflächen der wechselbaren Reaktionseinheit 22 bzw. des Aufnahmebereichs
20 des Basisgeräts 10 vorgesehen sein und beispielsweise als ineinander führbare Nuten
und Stege ausgebildet sein. Als weitere Alternative ist es auch denkbar, den Körper
der wechselbaren Reaktionseinheit 22 selbst mit einer (vorzugsweise konischen) Führungsfläche
zu versehen, welche in eine entsprechend ausgebildete Fläche des Aufnahmebereichs
20 passt.
[0056] Die wechselbare Reaktionseinheit 22 weist insbesondere ein Reaktionsgefäß 32 zur
Aufnahme einer Probe 38 auf, das mit einem Einfüllstutzen 34 und einem Belüftungsstutzen
36 versehen ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Reaktionsgefäß
32 ferner über einen Überlaufbereich verfügen oder mit einer flexiblen Begrenzungsfläche
(z.B. Folie) ausgebildet sein, um das Gasvolumen des Reaktionsgefäßes 32 zu minimieren,
sodass eine Kondensatvermeidung nicht erforderlich ist. Im Fall des Vorsehens eines
Überlaufbereichs kann zum Beispiel das Reaktionsgefäß 32 mit einer Probenmenge gefüllt
werden, welche das Volumen des Reaktionsgefäßes 32 übersteigt, sodass das Reaktionsgefäß
ohne ein zusätzliches Gasvolumen im oberen Bereich des Reaktiongefäßes vollständig
gefüllt ist und die überschüssige Probenmenge in den Überlaufbereich abfließen kann.
[0057] Bei einer derartigen Ausführungsform des Reaktionsgefäßes ist zum Beispiel kein zusätzlicher
Heizdeckel erforderlich, um das Reaktionsgefäß bzw. die Probe zur Kondensatvermeidung
auch von oben zu beheizen, ohne dass die vorliegende Erfindung auf diese Variante
beschränkt sein soll.
[0058] Obwohl in Fig. 2 nur ein Reaktionsgefäß 32 veranschaulicht ist, kann die wechselbare
Reaktionseinheit 22 wahlweise auch über mehrere solcher Reaktionsgefäße 32 verfügen.
Dies gilt in gleicher Weise auch für alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
[0059] Auf der dem Basisgerät 10 zugewandten Seite des Reaktionsgefäßes 32 ist in der wechselbare
Reaktionseinheit 22 eine Temperiereinrichtung 40 mit einem Peltier-Element als erste
Ausführungsform einer Wechselwirkungseinheit angeordnet. Um einen guten thermischen
Kontakt zwischen dieser Temperiereinrichtung 40 und der Probe 38 in dem Reaktionsgefäß
32 zu gewährleisten, ist zumindest die die Temperiereinrichtung 40 kontaktierende
Wandung 42 des Reaktionsgefäßes 32 möglichst dünn und aus einem Material mit guter
Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Zu den geeigneten Materialien für die Reaktionsgefäße
32 zählen zum Beispiel Polypropylen und LSR (Liquid Silicon Rubber), ohne dass die
Erfindung auf die Verwendung dieser Materialien beschränkt sein soll. Diese Materialien
sind bekanntermaßen auch dann für das Reaktionsgefäß 32 geeignet, wenn in diesem eine
PCR oder Realtime-PCR durchgeführt werden soll.
[0060] Die Temperiereinrichtung 40 dient dem Temperieren des Reaktionsgefäßes 32 bzw. der
Probe 38 darin. Mit anderen Worten kann durch diese Temperiereinrichtung 40 die Temperatur
der Probe 38 je nach Bedarf und Ausführungsform der Temperiereinrichtung erhöht, erniedrigt
oder gehalten werden.
[0061] Je nach Funktionsweise der Temperiereinrichtung 40 erzeugt diese überschüssige Wärme
oder Kälte, die abgeführt werden muss. Während im Fall der eingangs genannten
US 2006/0288708 A1 diese Abwärme oder Kälte über einen in die wechselbare Reaktionseinheit integrierten
Fluidkanal abgeführt wird, werden derartige Fluidkanäle und damit auch die mit diesen
verbundenen Dichtheitsprobleme im Fall der vorliegenden Erfindung vermieden. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel enthält das Basisgerät 10 einen Temperierblock 30 (zum Kühlen
oder Heizen der Temperiereinrichtung 40 in der wechselbaren Reaktionseinheit 22) mit
einer ausreichend großen thermischen Masse. Je nach aktueller Betriebsart der Temperiereinrichtung
40 dient der Temperierkörper 30 als Kühlkörper oder Heizkörper zur Temperierung der
Rückseite des Peltier-Elements dient. Da die überschüssige Wärme oder Kälte mit Hilfe
des Temperierblocks 30 in das Basisgerät 10 abgeführt wird, besteht für den Benutzer
auch keine Gefahr beim Handling der wechselbaren Reaktionseinheiten 22. Bevorzugt
wird eine Ausführung bei der der Temperierkörper 30 ein Kühlkörper ist, und die Temperiereinrichtung
40 die Veränderung der Probentemperatur verursacht. In einer besonders bevorzugten
Ausführung stellt der Kühlkörper ein möglichst konstantes Temperaturniveau bereit,
wobei weiterhin die Temperiereinrichtung 40 die Veränderung der Probentemperatur verursacht.
[0062] Um einen guten thermischen Kontakt zwischen der Temperiereinrichtung 40 der wechselbaren
Reaktionseinheit 22 und dem Temperierblock 30 im Basisgerät 10 zu gewährleisten, wird
die wechselbare Reaktionseinheit 22 vorzugsweise gegen diesen Temperierblock 30 gedrückt.
Hierzu hat die wechselbare Reaktionseinheit 22 zum Beispiel einen Körper 44, der auf
dem Reaktionsgefäß 32 aufliegt und allein durch seine Gewichtskraft den notwendigen
Anpressdruck erzeugt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine geeignete Spanneinrichtung
(nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zum Beispiel auch mit dem Basisgerät 10 in
Eingriff gebracht werden kann. Weitere Möglichkeiten zum Aufbringen der notwendigen
Kräfte für den guten thermischen Kontakt zwischen den Komponenten 30 und 40 beinhalten
auch Unterdrucksysteme, magnetische Einrichtungen und dergleichen.
[0063] Außerdem ist die Positionierung der Temperiereinrichtung 40 selbstverständlich nicht
auf das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 beschränkt. So kann diese Temperiereinrichtung
40 natürlich auch oberhalb des Reaktionsgefäßes 32 oder seitlich zu diesem angeordnet
werden. Außerdem können wahlweise auch mehrere solcher Temperiereinrichtungen 40 in
der wechselbaren Reaktionseinheit 22 um das Reaktionsgefäß 32 herum angeordnet werden,
was eine homogenere und schnellere Temperierung der Probe 38 in dem Reaktionsgefäß
32 ermöglicht. Ferner sind die Temperiereinrichtungen 40 auf keine speziellen Ausführungsformen
und nicht nur auf die Verwendung von Peltier-Elementen eingeschränkt. Bei geeigneter
Positionierung einer Heizeinrichtung 40 kann diese auch zur Kondensatvermeidung im
Reaktionsgefäß 32 benutzt werden.
[0064] Zum Betreiben der in die wechselbare Reaktionseinheit 22 integrierten Temperiereinrichtung
40 besitzt die wechselbare Reaktionseinheit 22 ferner eine erste Kopplungseinrichtung
46 mit elektrischen Kontakten, welche mit einer entsprechenden zweiten Kopplungseinrichtung
50 am Basisgerät 10 in Kontakt gebracht werden. Die zweite Kopplungseinrichtung 50
des Basisgeräts 10 ist vorzugsweise im Bereich des Aufnahmebereichs 20 vorgesehen
und verfügt über gefederte Kontakte, um eine sichere Kopplung auch bei unterschiedlichen
geometrischen Abmessungen und Positionierungen zum Beispiel aufgrund von Fertigungstoleranzen
zu gewährleisten. Beispielsweise kann eine Schraube mit einem innen liegenden Federstift
eingesetzt werden, der zur Ausbildung eines elektrischen Kontakts an einem Einsteckteil
zur Anlage kommt. Zusätzlich kann auch die erste Kopplungseinrichtung gefedert, zum
Beispiel in Form von Federleisten, ausgeführt sein. Die zweite Kopplungseinrichtung
50 ist zum Beispiel in einer Ausnehmung 48 im Aufnahmebereich 20 angeordnet und mit
einem entsprechenden Anschluss 52 im Basisgerät 10 verbunden, um der Temperiereinrichtung
40 Energie zuzuführen und optional auch ihren Betriebszustand zu überwachen.
[0065] Die erste und die zweite Kopplungseinrichtung 46, 50 dieses Ausführungsbeispiels
(und analog auch jene aller nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele) bilden
wie erwähnt vorzugsweise ein verfedertes Kontaktsystem, alternativ ist aber auch ein
starres Stecker-Buchse-System oder ein Anschlusssystem über Kabel und Stecker bzw.
Flexfolie und Stecker denkbar. Als weitere Alternative sind auch berührungslose Kopplungssysteme
einsetzbar.
[0066] Die wechselbare Reaktionseinheit 22 mit dem/den Reaktionsgefäß(en) 32 kann zum Beispiel
im Spritzgussverfahren hergestellt werden, wobei die Wechselwirkungseinheit 40 und
die erste Kopplungseinrichtung 46 vorher eingelegt werden ("Insert"-Technik). Die
dünnen Wandungen 42 können dabei zum Beispiel durch das Hinterspritzen von Folien
hergestellt werden. Alternativ kann die wechselbare Reaktionseinheit auch durch eine
Laserschweißtechnologie oder dergleichen gefügt werden. Die vorliegende Erfindung
ist aber selbstverständlich nicht auf die hier genannten Fertigungstechniken für die
wechselbaren Reaktionseinheiten 22 beschränkt. Außerdem gelten die hier genannten
Fertigungsverfahren natürlich in analoger Weise auch für die nachfolgend diskutierten
Ausführungsbeispiele.
[0067] In den Reaktionsgefäßen 32 der wechselbaren Reaktionseinheiten 22 können - bei einer
entsprechenden Ausgestaltung derselben - verschiedene Reaktionen in Proben 38 durchgeführt
werden. Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter
Weise zum Beispiel für eine PCR oder auch Realtime-PCR eingesetzt werden. Ferner können
in der Vorrichtung auch die vor- oder nachgelagerten Schritte wie Aufreinigung oder
Analyse durchgeführt werden. Als weitere Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Reaktionssystems können zum Beispiel genannt werden: Anzucht von Bakterien, Anzucht
von Hefen, Bead Technologie (z.B. Proteinreinigung), Immunpräzipitation, Enzym-Reaktionen,
Transformationen, Denaturierung von DNA, RNA oder Proteinen, Isolierung von DNA-Fragmenten,
Plasmid-Aufreinigung, Hybridisierungen, schonendes Auftauen, Aufbewahren von Enzymen,
Nukleinsäuren, etc. bei definierter Temperatur, in vitro - Translationen, Ligationen,
Zelllysen, u.v.m.
[0068] Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, kann die wechselbare Reaktionseinheit
22 dieses Ausführungsbeispiels (und auch aller anderen Ausführungsbeispiele) mit einer
Identifikationseinrichtung zum eindeutigen Identifizieren der wechselbaren Reaktionseinheit
22 und/oder ihrer Reaktionsgefäße 32 und damit ihrer Proben 38 versehen sein. Wahlweise
kann die wechselbare Reaktionseinheit 22 eine solche Identifikationseinrichtung aufweisen
oder es können alle Reaktionsgefäße 32 mit einer eigenen Identifikationseinrichtung
versehen sein.
[0069] Für die Identifikationseinrichtung wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise
ein Siliziumchip verwendet, auf dem die entsprechenden Identifikationsinformationen
abgespeichert sind, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsform beschränkt sein
soll. In einer speziellen Ausführungsform enthält die Temperiereinrichtung 40 wenigstens
ein Peltier-Element auf Siliziumbasis, in welches außerdem die Identifikationsfunktion
integriert ist.
[0070] Alternativ können als Identifikationseinrichtung zum Beispiel auch RFID-Systeme oder
Barcodes zum Einsatz kommen.
[0071] Mittels der Identifikationseinrichtung wird die Sicherheit der Zuordnung der Daten
bei der Durchführung der Reaktionen in den Proben erhöht, da gewährleistet werden
kann, dass für alle Proben jeweils die richtigen Reaktionen durchgeführt werden. Außerdem
kann eine einfachere und bessere Datenauswertung erreicht werden. Diese Vorteile sind
noch offensichtlicher, wenn die verwendeten wechselbaren Reaktionseinheiten 22 auf
mehreren Basisgeräten 10 benutzt werden sollen, um zum Beispiel nacheinander mehrere
Reaktionen an den selben Proben durchzuführen, oder wenn die Proben in den Reaktionseinheiten
22 für längere Zeiten zwischengelagert werden sollen.
[0072] Die Identifikationsnummern können entweder durch den Hersteller bei der Fertigung
der wechselbaren Reaktionseinheiten oder durch den Benutzer vor Ort vergeben werden.
[0073] Die oben beschriebene Vorrichtung ist sowohl als Laborgerät geeignet, kann aber ebenso
als tragbares Gerät für den Feldeinsatz verwendet werden.
[0074] Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun Bezug
nehmend auf Fig. 4 erläutert, in der gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern
wie in der oben beschriebenen Fig. 2 gekennzeichnet sind.
[0075] Die in Fig. 4 veranschaulichte Vorrichtung unterscheidet sich von dem oben beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich zu der Temperiereinrichtung 40
ein Temperatursensor 54 als Wechselwirkungseinheit in der wechselbaren Reaktionseinheit
22 vorgesehen ist. Im Übrigen entspricht dieses zweite Ausführungsbeispiel der ersten
Ausführungsform von Fig. 2 und auf eine wiederholte Beschreibung gleicher bzw. entsprechender
Komponenten wird verzichtet.
[0076] Der Temperatursensor 54 ist an einer Wandung des Reaktionsgefäßes 32 und damit in
direktem thermischem Kontakt zu diesem angeordnet, um die Temperatur des Reaktionsgefäßes
32 bzw. der Probe 38 in dem Reaktionsgefäß 32 zu erfassen. Die Messdaten des Temperatursensors
54 werden über eine erste (kontaktierende oder berührungslose) Kopplungseinrichtung
56 der wechselbaren Reaktionseinheit 22 an eine zweite Kopplungseinrichtung 57 und
entsprechende weitere Anschlüsse 58 des Basisgeräts 10 übertragen. Aufbau und Anordnung
dieser Kopplungseinrichtungen und Anschlüsse 56 - 58 entsprechen den für die Temperiereinrichtung
40 oben beschriebenen Ausführungsvarianten.
[0077] Der Temperatursensor 54 ermöglicht die direkte Überwachung der Temperatur der Probe
38, sodass im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, bei denen nur die Temperatur der
im Basisgerät 10 vorgesehenen Temperiereinrichtung erfasst wird, eine wesentlich genauere
Temperaturerfassung und damit auch Temperierung der Probe 38 ermöglicht wird. Falls
die wechselbare Reaktionseinheit 22 mehrere Reaktionsgefäße 32 enthält, ist vorzugsweise
jedem Reaktionsgefäß 32 ein eigener Temperatursensor 54 zugeordnet, sodass eine individuelle
Temperaturüberwachung mehrerer Proben 38 in verschiedenen Reaktionsgefäßen möglich
ist.
[0078] Anstelle der kontaktierenden Temperaturerfassung durch den Temperatursensor 54, wie
in Fig. 4 dargestellt, kann der Temperatursensor alternativ auch für eine berührungslose
Messung der Temperatur des Reaktionsgefäßes 32 bzw. der Probe 38 in dem Reaktionsgefäß
32 ausgebildet sein. Hinsichtlich der Technologie zur Temperaturerfassung ist die
vorliegende Erfindung auf keine speziellen Ausführungsformen eingeschränkt.
[0079] Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun Bezug
nehmend auf Fig. 5 erläutert, in der gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern
wie in der oben beschriebenen Fig. 2 gekennzeichnet sind.
[0080] Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von dem oben beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich zu der Temperiereinrichtung 40
eine Strahlungsquelle 60 als Wechselwirkungseinheit in der wechselbaren Reaktionseinheit
22 vorgesehen ist. Im Übrigen entspricht dieses dritte Ausführungsbeispiel der ersten
Ausführungsform von Fig. 2 und auf eine wiederholte Beschreibung gleicher bzw. entsprechender
Komponenten wird verzichtet.
[0081] Die Strahlungsquelle 60 ist neben dem Reaktionsgefäß 32 angeordnet, um eine entsprechende
Strahlung auf die Probe 38 in dem Reaktionsgefäß 32 zu richten. Die Ansteuerung der
Strahlungsquelle 60 erfolgt über eine erste Kopplungseinrichtung 62 der wechselbaren
Reaktionseinheit 22, die über eine zweite Kopplungseinrichtung 63 mit einem entsprechenden
Anschluss 64 des Basisgeräts 10 verbunden ist. Aufbau und Anordnung dieser Kopplungen
62 - 64 entsprechen grundsätzlich wieder jenen Möglichkeiten für die Temperiereinrichtung
40.
[0082] Soll die Probe 38 in dem Reaktionsgefäß 32 nicht nur bestrahlt werden, sondern außerdem
eine durch diese Bestrahlung bewirkte Reaktion der Probe 38 oder eine Eigenschaft
der Probe 38 in Zusammenhang mit der jeweiligen Strahlung (z.B. Absorptionsvermögen,
Transmissionsgrad) erfasst werden, so enthält die Vorrichtung ferner als weitere Wechselwirkungseinheit
eine Detektionseinrichtung 66. Diese Detektionseinrichtung 66 ist an dem Basisgerät
10 oder einem Deckel des Basisgeräts 10 angeordnet und dient dem Erfassen von elektromagnetischer
Strahlung, die von der Probe 38 in dem Reaktionsgefäß 32 selbst emittiert wird (z.B.
aufgrund einer Anregung der Probe 38 durch die Bestrahlung mit der Strahlungsquelle
60) oder durch die Probe 38 hindurch gelassen wird. Grundsätzlich ist auch eine Kombination
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer externen Detektionseinrichtung möglich.
Bei dieser Ausgestaltung befindet sich die Detektionseinrichtung nicht am Basisgerät
selber, sondern liegt außerhalb an einem weiteren Gerät. Beispielsweise ist es möglich
das Basisgerät an handelsüblichen Detektionseinrichtungen, wie Fluorometer, Photometer
u. andere Laborgeräte anzuschließen.
[0083] In einem Ausführungsbeispiel enthält die Strahlungsquelle 60 zum Beispiel eine oder
mehrere Leuchtdioden zur Fluoreszenzanregung der Probe 38 im Reaktionsgefäß 32 und
die Detektionseinrichtung 66 weist entsprechende lichtempfindliche Elemente wie Halbleiterdetektoren
oder Photodioden zur Aufnahme der von der Probe 38 emittierten Fluoreszenzsignale
auf. In diesem Fall ist die Vorrichtung der Erfindung in vorteilhafter Weise zur Durchführung
einer Realtime-PCR geeignet.
[0084] Das Reaktionsgefäß 32 ist in diesem dritten Ausführungsbeispiel selbstverständlich
aus einem Material gefertigt, welches für die jeweilige Strahlung der Strahlungsquelle
60 bzw. der Probe 38 zumindest teilweise durchlässig ist; dies gilt zumindest für
die der Strahlungsquelle 60 und dem Strahlungsdetektor 66 zugewandten Wandbereiche
des Reaktionsgefäßes 32. Außerdem kann es von Vorteil sein, die obere und die seitlichen
Wände des Reaktionsgefäßes 32, welche keiner der Wechselwirkungseinheiten 40, 60 und
68 zugewandt sind, mit reflektierenden Eigenschaften auszubilden bzw. zu versehen.
[0085] Falls die wechselbare Reaktionseinheit 22 mehrere Reaktionsgefäße 32 beinhaltet,
kann entweder jedem Reaktionsgefäß 32 eine eigene Strahlungsquelle 60 und ein eigener
Detektor 66 zugeordnet werden oder allen Reaktionsgefäßen 32 werden eine gemeinsame
Strahlungsquelle 60 und ein gemeinsamer Detektor 66 zugeordnet. Als weitere Ausführungsform
kann auch allen Reaktionsgefäßen 32 eine gemeinsame Strahlungsquelle 60, aber jedem
Reaktionsgefäß 32 ein eigener Detektor 66 zugewiesen werden.
[0086] Ferner kann dieses dritte Ausführungsbeispiel natürlich auch mit dem in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel kombiniert werden. D.h. die wechselbare Reaktionseinheit 22 kann
als Wechselwirkungseinheit sowohl Temperatursensoren 54 als auch Strahlungsquellen
60 enthalten. Sofern die Probe auch ohne externe Bestrahlung durch die Strahlungsquelle
60 (z.B. allein durch thermische Wirkung) Strahlung emittiert, genügt in diesem Fall
auch nur die Detektionseinrichtung 66 am Basisgerät 10 und auf die Strahlungsquelle
60 in der wechselbaren Reaktionseinheit 22 kann verzichtet werden.
[0087] Unter Bezug auf Fig. 6 wird nun ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung näher beschrieben, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern
wie in der oben beschriebenen Fig. 2 gekennzeichnet sind.
[0088] Das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 unterscheidet sich von dem obigen dritten Ausführungsbeispiel
dadurch, dass die Detektionseinrichtung nicht am Basisgerät 10 vorgesehen ist, sondern
als Wechselwirkungseinrichtung 68 ebenfalls in der wechselbaren Reaktionseinheit 22
integriert ist. Die Messsignale und die Steuersignal dieser Detektionseinrichtung
68 werden mit dem Basisgerät 10 über eine erste Kopplungseinrichtung 70 der wechselbaren
Reaktionseinheit 22, eine zweite Kopplungseinrichtung 71 im Aufnahmebereich 20 des
Basisgeräts 10 und die Anschlüsse 72 im Basisgerät 10 kommuniziert. Aufbau und Anordnung
der Kopplungseinrichtungen 62 bis 64 entsprechen grundsätzlich jenen für die Temperiereinrichtung
40, wobei für Detektionseinrichtungen speziell auch die berührungslosen Kopplungssysteme
in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können.
[0089] Im Übrigen entspricht dieses vierte Ausführungsbeispiel dem dritten Ausführungsbeispiel
von Fig. 5, wobei auch alle dort genannten Modifikationen und Varianten hier ebenfalls
zur Anwendung kommen können.
[0090] Fig. 7 zeigt als fünftes Ausführungsbeispiel eine Abwandlung des obigen vierten Ausführungsbeispiels
von Fig. 6, wobei gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern
wie in Fig. 6 gekennzeichnet sind.
[0091] Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung
dadurch, dass die Temperiereinrichtung 40 nicht in der wechselbaren Reaktionseinheit
22 integriert ist, sondern dass die Temperiereinrichtung als weitere Wechselwirkungseinheit
74 im Aufnahmebereich 20 des Basisgeräts 10 vorgesehen ist. In diesem Fall wird die
Temperiereinrichtung 74 natürlich direkt über die Anschlüsse 52 im Basisgerät 10 angesteuert
und die erste und die zweite Kopplungseinrichtung 46, 50 können entfallen.
[0092] Für die Temperiereinrichtung 74 gelten die gleichen Ausführungen analog, wie sie
oben in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 angegeben sind.
[0093] Diese Variante, bei der die Temperiereinrichtung 74 am Basisgerät 10 vorgesehen ist,
kann selbstverständlich auch bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen von
Fig. 4 und 5 umgesetzt werden.
[0094] Ferner sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung natürlich alle hier gezeigten Ausführungsbeispiele
in beliebiger Weise miteinander kombinierbar. Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung
zu erreichen, muss nur wenigstens eine der Wechselwirkungseinheiten 40, 54, 60, 68
in der wechselbaren Reaktionseinheit 22 integriert sein.
[0095] Darüber hinaus sind im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, der durch die anhängenden
Ansprüche definiert ist, auch zahlreiche weitere Abwandlungen und Modifikationen möglich.
[0096] So können zum Beispiel in Kombination mit der Strahlungsquelle 60 oder der Detektionseinrichtung
68 auch noch optische Filter in die wechselbare Reaktionseinheit 22 integriert werden.
Ferner können in der wechselbaren Reaktionseinheit 22 und in ihrem Reaktionsgefäß
32 auch gezielt optisch transparente oder undurchlässige Materialien eingesetzt werden,
um die Strahlungswege gezielt zu beeinflussen und Hintergrund, Streulicht und dergleichen
Störungen zu vermeiden.
[0097] Ferner ist in den obigen Ausführungsbeispielen der Temperatursensor 54 jeweils in
der wechselbaren Reaktionseinheit 22 außerhalb des Reaktionsgefäßes 32 bzw. an seiner
Außenwand angeordnet. Es ist ebenso denkbar, dass der Temperatursensor zur direkten
Erfassung der Temperatur der Probe 38 im Reaktionsgefäß 32 in das Reaktionsgefäß hinein
ragt.
[0098] Des Weiteren sind die Anzahlen der wechselbaren Reaktionseinheiten 22 und der Reaktionsgefäße
32 grundsätzlich beliebig wählbar. Üblicherweise werden Reaktionsgefäße in typischen
Array-Formaten eingesetzt werden, d.h. zum Beispiel 8, 12, 24, 96, 384, 1536, 6144
Reaktionsgefäße.
[0099] Auch wenn dies in den obigen Ausführungsbeispielen nicht explizit dargestellt ist,
so können die Wechselwirkungseinheiten der wechselbaren Reaktionseinheit wahlweise
auch in den Regelkreis der Vorrichtung integriert werden. Zum Beispiel kann so mittels
des Temperatursensors die Temperiereinrichtung geregelt werden oder mittels anderer
Detektionseinrichtungen Reaktionen in den Proben abgebrochen oder unterbrochen werden
bzw. die diese Reaktionen auslösenden Maßnahmen (z.B. Energiezufuhr) beendet werden.
[0100] Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben können
- je nach konkreter Ausführungsform - insbesondere die nachfolgend aufgelisteten Vorteile
einzeln oder in verschiedenen Kombinationen erzielt werden:
- Realisierung von hohen Temperiergeschwindigkeiten (Temperaturwechsel, Temperierraten)
- sehr genaue Messung der Probentemperatur (durch Messung dicht an der Probe
- genaue Regelung auf eine gewünschte Probentemperatur
- sehr gute Homogenität der Temperatur in der Probe
- individuelle Einstellung der Probenvolumina
- Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Formate (Probenvolumen, Probenzahl, Form,
Größe, etc.) der wechselbaren Reaktionseinheit auf einem Basisgerät
- Realisierung von Reaktionen in sehr kleinen Probenvolumina
- sehr geringer Energieverbrauch (durch geringe thermische Masse)
- höhere Messempfindlichkeiten bei der Detektion wie Fluoreszenzmessungen (durch kurze
Lichtwege, weniger Übergänge, definierte geometrische Anordnung der Komponenten, kurze
Toleranzketten)
- Möglichkeit von Realtime-Messungen (auch bei kleinsten Probenvolumina)
- Durchführung einer PCR mit erhöhter Spezifität, d.h. wenigen Nebenprodukten
- zeitgleiche Messung mehrerer Proben in verschiedenen Reaktionsgefäßen (z.B. mit unterschiedlichen
Wellenlängen oder Temperaturen)
- einfaches und robustes System ohne bewegliche Teile
- Wegfall zusätzlicher Maßnahmen (z.B. Heizdeckel) zur Kondensatvermeidung
1. Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen in Proben, mit einem Basisgerät (10), das
wenigstens einen Aufnahmebereich (20) für wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit
(22) aufweist; und wenigstens einer wechselbaren Reaktionseinheit (22), die wenigstens
ein Reaktionsgefäß (32) für eine Probe (38) aufweist und zum Platzieren in den Aufnahmebereich
(20) des Basisgeräts (10) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wechselbare Reaktionseinheit (22) wenigstens eine Einheit (40; 54; 60; 68) zur
Wechselwirkung mit der Probe (38) in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß (32) sowie
eine erste Kopplungseinrichtung (46; 56; 62; 70), die mit der Wechselwirkungseinheit
verbunden ist, aufweist; und
dass das Basisgerät (10) eine zweite Kopplungseinrichtung (50; 57; 63; 71) zum Koppeln
mit der ersten Kopplungseinrichtung (46; 56; 62; 70) der wechselbare Reaktionseinheit
(22) zur Kopplung mit der Wechselwirkungseinheit (40; 54; 60; 68) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit (22) als Verbrauchsartikel ausgebildet
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit (40; 54; 60; 68) wenigstens eine Temperiereinrichtung
(40) umfasst, die in thermischem Kontakt mit dem wenigstens einen Reaktionsgefäß (32)
angeordnet ist, um die Probe (38) in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß (32) zu temperieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Temperiereinrichtung (40) ein Peltier-Element enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit (40; 54; 60; 68) wenigstens eine Einrichtung
(60) zum Anregen einer Reaktion der Probe (38) in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß
(32) umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit (40; 54; 60; 68) wenigstens eine Einrichtung
(54; 68) zum Detektieren einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaft
der Probe (38) in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß (32) umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine Wechselwirkungseinheit (40; 54; 60; 68) der wechselbaren Reaktionseinheit
(22) in einen Regelkreis der Vorrichtung integriert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wechselbare Reaktionseinheit (22) bzw. das Reaktionsgefäß (32) zum Durchführen
einer PCR und/oder einer Realtime-PCR ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Reaktionsgefäß (32) zum Aufnehmen einer Probe (38) bei minimalem
Gasvolumen ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung wenigstens eine weitere Heizvorrichtung zur Kondensatvermeidung in
dem wenigstens einen Reaktionsgefäß (32) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Basisgerät (10) wenigstens eine weitere Einheit (66; 74) zur Wechselwirkung mit
der Probe (38) in dem wenigstens einen Reaktionsgefäß (32) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung ferner eine Führungseinrichtung (24, 26) zur Positionierung der wechselbaren
Reaktionseinheit (22) im Aufnahmebereich (20) des Basisgeräts (10) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine wechselbare Reaktionseinheit (22) ferner wenigstens eine Identifikationseinrichtung
zum eindeutigen Identifizieren der wenigstens einen wechselbaren Reaktionseinheit
(22) und/oder des wenigstens einen Reaktionsgefäßes (32) in der wechselbaren Reaktionseinheit
aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Identifikationseinrichtung Bestandteil der Wechselwirkungseinheit ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wechselwirkungseinheit (40) eine Temperiereinrichtung mit einem Peltier-Element
auf Siliziumbasis ist, in das eine Identifikationsfunktion integriert ist.