Kartusche, Zentrifuge für diese Kartusche sowie Verfahren

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Kartusche (100), welche ein Gehäuse (110) der Kartusche (100), zumindest eine Trommel (10), welche zumindest eine Kammer (20, 21) aufweist, eine Verstelleinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Trommel (10) um deren Rotationsachse (35) zu drehen, mindestens eine Lanzetteneinrichtung (40), welche für ein Durchstoßen der untersten Trommel (10) vorgesehen ist, und einen Aufnahmebereich (50) aufweist, welcher in einem innenseitigen Bereich des geschlossenen Endes des Gehäuses (110) der Kartusche (100) ausgebildet und zur Aufnahme eines Fluids aus der zumindest einen Kammer (20, 21) nach dem Durchstoßen der untersten Trommel (10) vorgesehen ist.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Durchführung biochemischer Prozesse basiert auf der Handhabung von Flüssigkeiten. Typischerweise wird diese Handhabung manuell mit Hilfsmitteln wie Pipetten, Reaktionsgefäßen, aktiven Sondenoberflächen oder Laborgeräten durchgeführt. Durch Pippetierroboter oder Spezialgeräte sind diese Prozesse zum Teil bereits automatisiert.

[0002] Sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme (Westentaschenlabor oder Chiplabor) sind mikrofluidische Systeme, welche die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem nur scheckkartengroßen Kunststoffsubstrat unterbringen. Lab-on-a-Chip-Systeme bestehen typischerweise aus zwei Hauptkomponenten. Ein Testträger oder eine Einwegkartusche beinhaltet Strukturen und Mechanismen für die Umsetzung der fluidischen Grundoperationen (z.B. Mischer), welche aus passiven Komponenten wie Kanälen, Reaktionskammer, vorgelagerte Reagenzien oder auch aktiven Komponenten wie Ventile oder Pumpen bestehen können. Die zweite Hauptkomponente sind Aktuations-, Detektions- und Steuereinheiten.

[0003] Derzeit sind eine Vielzahl von Systemen zur Automatisierung biochemischer Prozesse realisiert. Prinzipiell lassen sich die Systeme in zwei Kategorien unterscheiden. Zum einen Pipettierroboter mit Hilfe derer die Flüssigkeiten mittels Pipetten präzise abgemessen und in verschiedene funktionale Reaktionsgefäße überführt werden. Für die Prozessierung kommen eventuell noch weitere Komponenten wie z.B. eine Zentrifuge zum Einsatz. Zum anderen existieren kartuschenbasierte Systeme, wobei die Flüssigkeiten typischerweise in einem Spezialgerät in einer Kartusche prozessiert werden. Eine Übersicht über den derzeitigen Stand bezüglich Durchführung biochemischer Prozesse mittels Zentrifugalsystemen ist in DE 10 2010 003 223 A1 dargestellt.

[0004] Das System nach DE 10 2010 003 223 A1 weist bereits eine vollständige mechanische und fluidische Funktionalität auf. Mit diesem System ließ sich unter anderem DNA aufreinigen. Zur Automatisierung komplexer biochemischer Prozesse und für die Detektion sind jedoch noch weitere Funktionalitäten notwendig. Bisher wird vor der Detektion die DNA in dem zentrifugalen 3D-LOC mit "Kugelschreibermechanik" aufgereinigt, z.B. bakterielle DNA in einen herkömmlichen Real-Time Cycler überführt und die Detektion dort durchgeführt. Hierdurch entstehen zusätzliche Zeitverluste, Arbeitsaufwand, Kosten sowie potentielle Fehler bzw. Kontaminationsrisiken.

[0005] Des Weiteren ist es bereits bekannt, verschiedene Revolver in einem Standard-Zentrifugenröhrchen (Falcon-Tube) axial übereinander anzuordnen, wobei die zugehörige Kartusche in einer Zentrifuge eingesetzt werden kann. Die Revolver beinhalten Kanäle, Reaktionskammern und weitere Strukturen für die Durchführung von fluidischen Einheitsoperationen. Über eine integrierte Kugelschreibermechanik können die Revolver bezüglich ihrer Positionen zueinander rotiert werden, wobei sich Kavitäten zueinander schalten lassen. Die Aktuation erfolgt über die Zentrifugalkraft, welche die Kugelschreibermechanik aktuiert. Die Flüssigkeiten werden entlang des Kraftvektors der Zentrifugalkraft von radial innenliegenden Punkten zu radial außenliegenden Punkten transportiert.

Vorteile der Erfindung

[0006] Die in dem Anspruch 1 definierte Kartusche, die in dem Anspruch 8 definierte Zentrifuge sowie das in dem Anspruch 11 definierte Verfahren weisen gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil auf, dass nukleinsäurehaltige Lösungen direkt in der Kartusche amplifiziert und nachgewiesen werden können. Somit entfällt in vorteilhafter Weise das bislang erforderliche Entnehmen der Kartusche aus der Zentrifuge nach dem Aufbereiten des Analyten für das Durchführen der PCR für die aufbereitete DNA in einer separaten Vorrichtung. Auf diese Weise wird mit Hilfe der vorliegenden Kartusche und der Zentrifuge ein vollautomatisches System für die Aufbereitung und zusätzlich dazu für die Detektion von Substanzen, insbesondere für den vollautomatischen Nachweis von Nukleinsäuresequenzen für die Diagnostik, die genetische Forschung und Analytik, zur Verfügung gestellt. Somit ermöglicht es das vorliegende System, biochemische Prozesse vollautomatisiert zu prozessieren. Daraus folgt, dass das Handling der Kartuschen wesentlich vereinfacht und beschleunigt, und die Gefahr durch eine Kontamination während des Wechselns der aufbereiteten Substanz in die Analysevorrichtung beseitigt wird. Des Weiteren wird ein vollintegriertes schnelleres Probenvorbereitungs- und Detektionssystem für den vollautomatischen fluoreszenzoptischen oder photometrischen Nachweis von Substanzen, insbesondere von Proteinen, zur Verfügung gestellt.

[0007] Die folgenden Ausführungen beziehen sich exemplarisch auf zentrifugal aktuierte Systeme, sind aber auch auf extern druckaktuierte Systeme identisch übertragbar. In diesem Zusammenhang bedeutet radial nach außen entlang dem Kraftvektor der anliegenden Aktuation und radial nach innen entgegengesetzt der Richtung des durch die Aktuation des Gesamtsystems anliegenden Kraftvektors. Findet keine Zentrifugation statt, ist das anliegende Kraftfeld das natürliche Gravitationsfeld.

[0008] Die vorliegende Kartusche weist ein Gehäuse der Kartusche, zumindest eine Trommel, welche zumindest eine Kammer aufweist, eine Verstelleinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Trommel um deren Rotationsachse zu drehen, mindestens eine Lanzetteneinrichtung, welche für ein Durchstoßen der untersten Trommel vorgesehen ist, sowie einen Aufnahmebereich auf, welcher in einem innenseitigen Bereich des geschlossenen Endes des Gehäuses der Kartusche ausgebildet und zur Aufnahme eines Fluids aus der zumindest einen Kammer nach dem Durchstoßen der untersten Trommel vorgesehen ist.

[0009] Die Substanz kann beispielsweise derart sein, wie sie in einem Proteinassay, einem ELISA oder einem chromogenen Assay verwendet wird.

[0010] Zusätzlich dazu kann der Aufnahmebereich neben der Aufnahme des Fluids aus der zumindest einen Kammer zum Mischen des aufgenommenen Fluids mit einer Substanz vorgesehen sein. Des Weiteren kann der Aufnahmebereich dafür vorgesehen sein, dass nach dem Aufnehmen eines Fluids aus der zumindest einen Kammer nach dem Durchstoßen der untersten Trommel sowie nach dem Mischen des aufgenommenen Fluid mit einer Substanz eine Reaktion abläuft, welche mittels einer außerhalb der Kartusche angeordneten Detektionseinheit detektierbar ist.

[0011] Die Verstelleinrichtung kann eine erste Schräge umfassen, welche mit einer zweiten Schräge der Trommel zusammenwirkt, um die Trommel aus einer ersten Stellung, in der die zweite Schräge mit einem Gehäuse der Kartusche in Drehrichtung um die Rotationsachse formschlüssig in Eingriff steht, in eine zweite Stellung entlang der Rotationsachse zu verbringen, in welcher der Formschluss aufgehoben ist und sich die Trommel um die Rotationsachse dreht. Dieser Mechanismus wird auch als "Kugelschreibermechanik" bezeichnet.

[0012] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist die Lanzetteneinrichtung im Aufnahmebereich angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Lanzetteneinrichtung in der Art eines Dorns ausgebildet, welcher im Bereich unterhalb der Trommel der Kartusche angeordnet ist. Der Dorn dient dazu, insbesondere drehzahlgesteuert, eine Öffnung, vorzugsweise an der Unterseite, der Trommel zu erzeugen, woraufhin insbesondere ein Fluid aus der entsprechenden Kammer durch die beim Durchstoßen entstehende Öffnung hindurch in den Aufnahmebereich fließt. Vorzugsweise ist die Lanzetteneinrichtung ortsfest in dem Aufnahmebereich angeordnet. Alternativ können auch mehrere Dorne vorgesehen sein, welche dann entsprechend mehrere Kammern in der Trommel durchstoßen.

[0013] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist des Weiteren ein Sperrmittel vorgesehen, welches für die Trennung der Trommel von der Lanzetteneinrichtung sorgt, bis das Sperrmittel die Trennung aufhebt. Das Sperrmittel dient dazu, die Lanzetteneinrichtung solange von der Trommel zu trennen, bis alle Verfahrensschritte für die Aufbereitung des Analyten in der Trommel abgeschlossen sind. Damit dies nicht zu früh passieren kann, wirkt das Sperrmittel derart auf die Trommel ein, dass die Trommel durch das Sperrmittel von der Lanzetteneinrichtung beabstandet bleibt. Vorzugsweise ist das Sperrmittel in der Art eines Vorsprungs in dem Gehäuse der Kartusche ausgebildet. Zusätzlich dazu kann die Trommel zum Beispiel eine Ausnehmung aufweisen, welche mit dem Vorsprung zusammenwirkt und die Trommel freigibt, nachdem alle Verfahrensschritte für die Aufbereitung des Analyten durchgeführt sind, sodass anschließend die Lanzetteneinrichtung die Trommel durchstechen kann.

[0014] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist des Weiteren eine Feder vorgesehen, welche mit der Trommel gekoppelt ist. Vorzugsweise ist ein Ende der Feder mit dem Aufnahmebereich gekoppelt, während das andere Ende der Feder mit der Trommel gekoppelt ist. Somit ist es möglich, den Zeitpunkt des Durchstoßens der Trommel durch die Lanzetteneinrichtung durch die Auslegung der Feder zu beeinflussen.

[0015] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche enthält der Aufnahmebereich Polymerase. Vorzugsweise wird die Polymerase in lyophilisierter Form im Aufnahmebereich vorgelagert. Alternativ dazu kann die Polymerase in einer Kammer der Trommel gelagert sein, welche nach dem Aufbereiten des Analyten von der Lanzetteneinrichtung durchstoßen wird. Für den Ablauf einer PCR können weitere Komponenten wie Puffer, DNTPs in einer separaten Kammer in der Trommel gelagert sein. Zusätzlich dazu kann die erfindungsgemäße Kartusche einen Mischer aufweisen, welcher die nach dem Durchstoßen der Kammer bzw. der Kammern austretenden Substanzen durchmischt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines federnd aufgehängten Paddels erfolgen.

[0016] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist die Wand des Gehäuses der Kartusche im Bereich des Aufnahmebereichs dünner als im Bereich der Trommel ausgebildet. Der Aufnahmebereich wird vorzugsweise (sehr) dünnwandig ausgeführt, so dass ein schneller thermischer Austausch der Wärmemenge für das Fluid im Aufnahmebereich während der Analyse des Fluid erzielt werden kann.

[0017] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kartusche ist der Aufnahmebereich konisch ausgebildet. Alternativ dazu kann der Aufnahmebereich an dessen Ende eine kugelförmige Form aufweisen. Des Weiteren kann der Aufnahmebereich auch zumindest abschnittsweise eine zylindrische Form aufweisen.

[0018] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zentrifuge weist die Detektionseinheit eine Lichtquelle und einen Sensor auf, wobei die im Betrieb der Zentrifuge geneigte Längsachse der Kartusche die Winkelhalbierende zwischen der Lichtquelle und dem Sensor bildet. Als Lichtquellen können beispielsweise Halogenlampen, Metalldampflampen, Laser oder vorzugsweise LEDs verwendet werden. Als Sensoren können zum Beispiel handelsübliche Photodioden (sichtbarer Spektralbereich) mit auf den Assay angepassten Filtern oder mit Monochromatoren kombiniert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu können auch ein Absorptionsspektrometer oder Lumineszenzdetektoren für die Detektion photometrischer oder lumineszenter Assays in der Rotorperipherie angebracht werden. Der Fluoreszenzdetektor lässt sich dabei auch unabhängig von PCR-Applikationen für jegliche Assays mit Fluoreszenz-Labels nutzen, inklusive von Protein-Assays. Die Lichtquelle und der Sensor sind vorzugsweise im Wesentlichen in einem rechten Winkel zueinander angeordnet.

[0019] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zentrifuge ist des Weiteren eine Temperaturregelungseinrichtung vorgesehen, welche für die Temperierung des

[0020] Aufnahmebereichs der Kartusche sorgt. Vorzugsweise wird für die Erwärmung oder Kühlung der Substanzen in dem Aufnahmebereich der Kartusche ein thermostatisierter Luftstrom eingesetzt, welcher die zentrifugierte(n) Kartusche(n) vertikal auf dem gesamten Kreisumfang des Rotors der Zentrifuge umspült. Des Weiteren kann mit Hilfe von geeigneten angeordneten Leitblechen die thermostatisierte Luft von der rotierenden und mechanisch hochbelasteten Rotorlagerung ferngehalten bzw. diese mit einem weiteren kalten Luftstrom gekühlt werden.

[0021] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Schritt des Temperierens der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich der Kartusche mit Hilfe der Temperaturregelungseinrichtung vorgesehen. Auf diese Weise kann die Temperatur der aufbereiteten Probensubstanz eingestellt werden.

[0022] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Schritt des Messens der Fluoreszenzintensität von der mindestens einen Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich der Kartusche vorgesehen. Somit kann der Verlauf der PCR fortlaufend überwacht werden und eine Real-time PCR auch mit einer Quantifizierung durchgeführt werden.

[0023] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Messen der Fluoreszenzintensität von der mindestens einen Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich der Kartusche während des Zentrifugierens der Kartusche oder bei kurzzeitig angehaltener Zentrifuge.

[0024] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Probensubstanz eine Nukleinsäure oder eine Nukleinsäuresequenz, wobei des Weiteren der Schritt des Amplifizierens der Nukleinsäure oder der Nukleinsäuresequenz in dem Aufnahmebereich der Kartusche vorgesehen ist. Auf diese Weise kann bei der vorliegenden Erfindung eine PCR realisiert werden, welche beispielsweise isotherm oder bei einer Vielzahl von vorbestimmten Temperaturzyklen stattfinden kann.

[0025] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Detektionseinheit Mittel zum Detektieren von der mindestens einen Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich der Kartusche mit Hilfe von einem fluoreszenzoptischen, photometrischen oder luminiszenten Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Zentrifuge auf.

[0026] In einem weiteren nebengeordneten Patentanspruch wird die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kartusche in einem Proteinassay oder einem ELISA beansprucht. Das Akronym ELISA steht dabei für einen sogenannten ,Enzyme Linked Immunosorbent Assay', welcher beispielweise für das Nachweisen von Proteinen, Viren sowie (niedermolekulare) Verbindungen wie Hormone, Toxine und Pestizide in einer Probensubstanz (zum Beispiel Blutserum, Milch, Urin, etc.) eingesetzt werden kann.

[0027] Des Weiteren wird die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kartusche in einem chromogenen Assay beansprucht. Beispielweise für das Nachweisen von niedermolekularen Verbindungen wie Glukose, Bilirubin, Hämatokrit, Pestiziden, Blutgasen oder Metaboliten in einer Probensubstanz (zum Beispiel Blutserum, Milch, Urin, etc.).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0028] Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigt dabei

Fig. 1: eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kartusche,

Fig. 2: eine Schnittansicht einer Kartusche gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 3: eine Schnittansicht einer Zentrifuge gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

[0029] Fig. 1 zeigt in vereinfachter und schematischer Darstellung eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Kartusche 100. Das Gehäuse 110 der Kartusche 100 weist einen im Wesentlichen hohlyzlindrischen Hauptabschnitt, welcher sich im oberen Bereich der Kartusche 100 befindet, sowie einen Aufnahmebereich 50 auf, welcher unterhalb des hohlzylindrischen Hauptabschnitts ausgebildet ist und ein geschlossenes Ende der Kartusche 100 bildet. Die Kartusche 100 weist in ihrem Inneren drei Trommeln 10, 11, 12 auf, welche entlang der Rotationsachse 35 der Kartusche 100 übereinander und kongruent zueinander angeordnet sind. Jede Trommel 10, 11, 12 weist in ihrem Inneren wiederum mindestens zwei Kammern 20, 21, 22, 23, 24, 25 auf, welche für die Aufnahme von unterschiedlichen Reagentien und Reaktionskammern sowie des Analyten für die Durchführung eines Assays bzw. eines Versuchsablaufs vorgesehen sind. Während der Aufbereitung des Analyten werden die einzelnen Trommeln 10, 11, 12 durch die Einwirkung der Zentrifugalkraft mit Hilfe einer sogenannten ,Kugelschreiber-Mechanik' (nicht dargestellt) entlang der Rotationsachse 35 der Kartusche 100 gedreht. Der Analyt wird in eine Kammer 24 der obersten Trommel 12 eingefüllt, welche in einer weiteren Kammer 25 Reagentien enthält.

[0030] Im Folgenden soll nun die Wirkungsweise der Kartusche 100 anhand einer Aufbereitung und Detektierung von Nukleinsäuresequenzen für eine PCR beschrieben werden.

[0031] Die unterhalb der Trommel 12 angeordnete zweite Trommel 11 weist ebenfalls zwei Kammern 22, 23 auf, wobei eine für die Aufnahme eines prozessierten Fluid aus der Trommel 12 vorgesehen ist, während die andere Kammer zusätzliche Reagentien enthält. Die Aufnahme des prozessierten Fluid aus Trommel 12 erfolgt mit Hilfe eines Dorns 41, welcher die Trommel 12 durchstößt und dabei für ein kontrolliertes Auslaufen des prozessierten Fluid in die entsprechende Kammer der Trommel 11 sorgt. Prinzipiell erfolgt der Weitertransport des Fluids aus der Trommel 11 in Richtung zu der Trommel 10 auf die gleiche Art und Weise.

[0032] Die unterste Trommel 10 weist wiederum zwei Kammern 20, 21 auf, welche für die Lagerung von weiteren PCR-Reagentien, wie beispielsweise Puffer, Primer, und die Aufnahme der aufgereinigten DNA vorgesehen sind. In der ersten Kammer 20 kann zusätzlich eine TaqMan-Sonde vorgesehen sein. Es kann noch eine weitere Kammer (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welche Abfallprodukte aus dem Prozess aufnimmt.

[0033] Unterhalb der Trommel 10 ist ein Sperrmittel 60 angeordnet, welches für die Trennung der Trommel 10 von einer Lanzetteneinrichtung 40 sorgt, bis das Sperrmittel 60 die Trennung aufhebt. Der Sperrmittel 60 ist in der Art eines Vorsprungs ausgebildet, welcher im Bereich der inneren Umfangsfläche des Gehäuses 110 der Kartusche ausgebildet ist. Der Vorsprung wirkt im Betrieb mit einer Ausnehmung 65 in der Trommel 10 zusammen, und erlaubt nach der aufgehobenen Trennung der Trommel 10 von der Lanzetteneinrichtung 40 eine axiale Verschiebung der Trommel 10 in Richtung zu der Lanzetteneinrichtung 40.

[0034] Die Lanzetteneinrichtung 40 ist in der Art eines Dorns ausgebildet und für das Durchstoßen der Trommel 10 vorgesehen, wodurch die aufgereinigte DNA in den Aufnahmebereich 50 der Kartusche 100 fließt. Der Aufnahmebereich 50 nimmt die aufgereinigte DNA auf. Für die Durchführung der PCR können gegebenenfalls weitere Kammern (nicht dargestellt) für PCR-Reagentien anschließend von der Lanzetteneinrichtung 40 durchstochen werden. In vorteilhafter Weise werden Puffer, DNTPs in der ersten weiteren Kammer gelagert und die Polymerase in einer zweiten weiteren Kammer. Alternativ dazu kann in einer Ausführungsform der Erfindung in dem Aufnahmebereich 50 die Polymerase lyophilisiert vorgelagert werden.

[0035] Die Trommel 10 ist des Weiteren mit einer Feder 70 wirkverbunden, welche den Zeitpunkt des Durchstoßens der Trommel 10 beeinflusst.

[0036] Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer Kartusche 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kartusche 100 weist in analoger Weise zu dem allgemeinen Aufbau der Kartusche gemäß Fig. 1 ein Gehäuse 110 auf, wobei dessen geschlossenes Ende von einem Aufnahmebereich 50 gebildet wird, welche eine konische Form aufweist. Der Aufnahmebereich 50 ist dünnwandig ausgeführt. Am oberen Ende der Kartusche 100 ist ein Deckel 30 aufgeschraubt. Im Inneren des Gehäuses 110 sind drei Trommeln 10, 11, 12 ausgebildet, welche entlang der Rotationsachse der Kartusche 100 übereinander und kongruent zueinander angeordnet sind. Die Aufbereitung des Analyten in der Kartusche 100 erfolgt in analoger Weise, wie sie oben stehend beschrieben wurde.

[0037] Im Bereich des Aufnahmebereichs 50 ist eine Lanzetteneinrichtung 40 angeordnet, welche in der Art eines Dorns ausgebildet ist. Der Dorn dient dazu, insbesondere drehzahlgesteuert, die Trommel 10 zu durchzustoßen, woraufhin die aufbereitete DNA (nicht dargestellt) in den Aufnahmebereich 50 fließt. Die Lanzetteneinrichtung 40 weist des Weiteren eine Stützstruktur 45 auf, welche die Form eines dünnen rechtwinkligen Profils aufweist. Eine Feder 70 stützt sich mit einem Ende auf die Stützstruktur 45 und ist mit seinem anderen Ende mit der Unterseite der Trommel 10 gekoppelt. Ein Sperrmittel 60 ist unterhalb der Trommel 10 angeordnet und weist die Form eines Vorsprungs auf.

[0038] Fig. 3 zeigt Schnittansicht einer Zentrifuge 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zentrifuge 200 weist in ihrem Inneren einen Ausschwing-Rotor 210 auf, welcher sich im Betrieb um eine Rotationsachse 240 dreht. Der Ausschwing-Rotor 210 weist im Bereich seiner Oberseite eine Probenhalterung 215 auf, welche für die Aufnahme einer Kartusche 100 vorgesehen ist. Hier ist aus Gründen der vereinfachten Darstellung lediglich eine einzige Probenhalterung 215 dargestellt, während für gewöhnlich eine Vielzahl von Probenhalterungen vorgesehen ist, welche umlaufend um die Rotationsachse 240 angeordnet sind.

[0039] Zur Amplifizierung und Detektion wird die Kartusche 100 zunächst in einem definierten Winkel gegenüber der Rotationsachse 240 fixiert: Dazu wird entweder ein Anschlag (nicht dargestellt) für eine Mindestauslenkung der Schwenkrotorsegmente (nicht dargestellt) vorgesehen oder über die in einer Rotorwelle 212 der Zentrifuge 200 angebrachte Probenhalterung 215 die Schwenksegmente definiert gekippt. Alternativ dazu sind selbstverständlich auch Festwinkelrotoren möglich.

[0040] Der Antrieb der Zentrifuge 200 erfolgt mit Hilfe eines Rotorantriebs 220, welcher im Bereich von seiner Unterseite einen Rotorlüfter 230 aufweist. Der Rotorlüfter 230 dient der Kühlung des Rotorantriebs 220 im Betrieb, und gibt temperierte Luft in radialer Richtung von dem Rotorlüfter 230 ab. Die Rotorwelle 212, der Rotorlüfter 230 und der Rotorantrieb 220 werden von einer Abdeckung 225 bedeckt. Während des Betriebs der Zentrifuge 200 steigt innenseitig von der Abdeckung 225 ausgehend von dem Bereich des Rotorlüfters 230 ein Luftstrom 250 in Richtung der Probenhalterung 215 auf, und tritt unterhalb von der Probenhalterung 215 aus der Abdeckung 225 in den Innenraum der Zentrifuge 200 aus. Im Bereich der Außenseite der Abdeckung 225 ist des Weiteren ein Luftleitblech 175 angeordnet, welches einen Luftstrom in Richtung zu dem freien Ende der Kartusche 100 lenkt.

[0041] Seitlich angrenzend an die Abdeckung 225 ist eine Temperaturregelungseinrichtung 150 angeordnet, welche bevorzugt in der Art einer Heizung ausgebildet ist. Mit Hilfe der Temperaturregelungseinrichtung 150 werden die Temperaturzyklen der PCR auf den Inhalt des Aufnahmebereichs der Kartusche 100 übertragen. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn der Aufnahmebereich der Kartusche 100 nicht von einer (Metall)struktur umgeben ist, wodurch schnellere Heiz- und Kühlraten möglich sind. Vorzugsweise ist für den Aufnahmebereich der Kartusche im Ausschwing-Rotor 210 eine Öffnung ausgespart. Für die Heizung/ Kühlung der Substanzen in dem Aufnahmebereich der Kartusche 100 wird vorzugsweise ein thermostatisierter Luftstrom eingesetzt, der die rotierende(n) Kartusche(n), insbesondere vertikal, auf dem gesamten Kreisumfang des Ausschwing-Rotors 210 umspült. Zusätzlich dazu wird mit Hilfe von geeignet angeordneten Leitblechen (nicht dargestellt) die thermostatisierte Luft von der rotierenden und mechanisch hochbelasteten Rotorlagerung ferngehalten bzw. diese mit einem weiteren kalten Luftstrom gekühlt.

[0042] Im Bereich von einem seitlichen Ende der Zentrifuge 200 ist eine Detektionseinheit 160 angeordnet, welche eine Lichtquelle 170 und einen Sensor 180 aufweist. Die Anordnung von Lichtquelle 170 und Sensor 180 erfolgt in vorteilhafter Weise in einem rechten Winkel, wobei die Längsachse der Kartusche 100 die Winkelhalbierende bildet. Die Lichtquelle 170 ist auf den Aufnahmebereich der Kartusche 100 gerichtet. Vorzugsweise wird die Lichtquelle 170 unterhalb von dem Sensor 180 angeordnet, während der Sensor 180 in horizontal seitlichen Position zu der Lichtquelle 170 angeordnet ist. Der Sensor 180 empfängt dabei das Licht von der Lichtquelle 170, welches von dem Aufnahmebereich der Kartusche 100 abgestrahlt wurde.

[0043] Als Lichtquellen 170 können Halogenlampen, Metalldampflampen, Laser oder vorzugsweise LEDs verwendet werden. Als Sensoren 180 können beispielsweise handelsübliche Photodioden (sichtbarer Spektralbereich) mit auf den Assay angepassten Filtern oder mit Monochromatoren kombiniert werden. In einer weiteren Ausführungsform können auch ein Absorptionsspektrometer (nicht dargestellt) oder Lumineszenzdetektoren (nicht dargestellt) für die Detektion photometrischer oder lumineszenter Assays in der Rotorperipherie angebracht werden. Ein Fluoreszenzdetektor (nicht dargestellt) lässt sich auch unabhängig von PCR-Applikationen für jegliche Assays mit Fluoreszenz-Labels nutzen, inklusive von Protein-Assays.

[0044] Bei der PCR wird der Ausschwing-Rotor 212 vergleichsweise langsam rotiert, so dass der definierte Kippwinkel der Kartusche 100 erhalten bleibt. Während der Echtzeit-PCR wird mit einer Anregungslichtquelle (nicht dargestellt) und dem Fluoreszenzdetektor gegebenenfalls bei jedem Temperaturzyklus die Fluoreszenzintensität gemessen. Es sind bis zu 6 Lichtquellen / Fluoreszenzdetektorpaare sinnvoll. Die Messung kann sowohl während der Rotation des Ausschwing-Rotors 212 "on the fly" als auch bei kurzzeitig angehaltenem Ausschwing-Rotor 212 erfolgen. Ein Drehwinkelgeber (nicht dargestellt) im Rotor 212 gewährleistet die zuverlässige Zuordnung der verschiedenen gleichzeitig prozessierten Kartuschen.

Ansprüche

1. Kartusche (100), aufweisend
ein Gehäuse (110) der Kartusche (100),
zumindest eine Trommel (10), welche zumindest eine Kammer (20, 21) aufweist, eine Verstelleinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Trommel (10) um deren Rotationsachse (35) zu drehen,
mindestens eine Lanzetteneinrichtung (40), welche für ein Durchstoßen der untersten Trommel (10) vorgesehen ist,
einen Aufnahmebereich (50), welcher in einem innenseitigen Bereich des geschlossenen Endes des Gehäuses (110) der Kartusche (100) ausgebildet und zur Aufnahme eines Fluids aus der zumindest einen Kammer (20, 21) nach dem Durchstoßen der untersten Trommel (10) vorgesehen ist.

2. Kartusche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzetteneinrichtung (40) im Aufnahmebereich (50) angeordnet ist.

3. Kartusche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren ein Sperrmittel (60) vorgesehen ist, welches für die Trennung der Trommel (10) von der Lanzetteneinrichtung (40) sorgt, bis das Sperrmittel (60) die Trennung aufhebt.

4. Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren eine Feder (70) vorgesehen ist, welche mit der Trommel (10) gekoppelt ist.

5. Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (50) Polymerase enthält.

6. Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Gehäuses (110) der Kartusche (100) im Bereich des Aufnahmebereichs (50) dünner als im Bereich der Trommel (10) ausgebildet ist.

7. Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (50) konisch ausgebildet ist.

8. Zentrifuge, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit der Zentrifuge koppelbar ist, wobei des Weiteren für die Analyse eines Fluids im Bereich des Aufnahmebereichs (50) der Kartusche (100) eine Detektionseinheit (160) vorgesehen ist.

9. Zentrifuge nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (160) eine Lichtquelle (170) und einen Sensor (180) aufweist, wobei die im Betrieb der Zentrifuge geneigte Längsachse der Kartusche (100) die Winkelhalbierende zwischen der Lichtquelle (170) und dem Sensor (180) bildet.

10. Zentrifuge nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren eine Temperaturregelungseinrichtung (150) vorgesehen ist, welche für die Temperierung des Aufnahmebereichs (50) der Kartusche (100) sorgt.

11. Verfahren zum Detektieren von mindestens einer Komponente einer aufbereiteten Probensubstanz, mit den Schritten:

- Bereitstellen einer Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 7;

- Bereitstellen einer Zentrifuge nach einem der Ansprüche 8 bis 10;

- Bereitstellen einer Probensubstanz in der Kartusche;

- Aufbereiten der Probensubstanz mittels Zentrifugieren in der Kartusche (100);

- Ausleiten der aufbereiteten Probensubstanz in den Aufnahmebereich (50) der ,Kartusche (100) mit Hilfe der Lanzetteneinrichtung (40);
gekennzeichnet durch das

- Detektieren von mindestens einer Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich (50) der Kartusche (100) mit Hilfe der Detektionseinheit (160).

12. Verfahren nach Anspruch 11, des Weiteren mit dem Schritt des Temperierens der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich (50) der Kartusche (100) mit Hilfe der Temperaturregelungseinrichtung (150).

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, des Weiteren mit dem Schritt des Messens der Fluoreszenzintensität von der mindestens einen Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich (50) der Kartusche (100).

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Messen der Fluoreszenzintensität von der mindestens einen Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich (50) der Kartusche (100) während des Zentrifugierens der Kartusche (100) oder bei kurzzeitig angehaltener Zentrifuge erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Probensubstanz eine Nukleinsäure oder eine Nukleinsäuresequenz ist, sowie des Weiteren mit dem Schritt des

- Amplifizieren der Nukleinsäure oder der Nukleinsäuresequenz in dem Aufnahmebereich (50) der Kartusche (100).

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Detektionseinheit (160) Mittel zum Detektieren von der mindestens einen Komponente der aufbereiteten Probensubstanz in dem Aufnahmebereich (50) der Kartusche (100) mit Hilfe von einem fluoreszenzoptischen, photometrischen oder luminiszenten Verfahren aufweist.

17. Verwendung einer Kartusche nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Proteinassay, einem ELISA oder einem chromogenen Assay.

Zeichnung