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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Probenpräparationssysteme.
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Für Flüssigchromatographie
ist es erforderlich, eine zu untersuchende Probe in das System zu injizieren.
Ein System zur Flüssigkeitschromatografie stellt
insbesondere das LC-System der Agilent Serie 1200 der Anmelderin
Agilent Technologies, Inc., dar. Andere Analysegeräte basieren
auf dem Prinzip der Gaschromatografie oder der Gelelektrophorese.
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Vor
Aufnahme der Probe in ein Analysegerät kann es erforderlich oder
wünschenswert
sein, die zu untersuchende Probe vorzupräparieren. Dies kann konventionell
zum Beispiel mittels eines Dialyseverfahrens durchgeführt werden,
was jedoch zeitaufwendig und arbeitsintensiv ist.
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OFFENBARUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente Probenpräparation
zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere
Ausführungsbeispiele
sind in den abhängigen
Ansprüchen
gezeigt.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist eine Präparationssubstanz zum Präparieren
einer Probe geschaffen, wobei die Präparationssubstanz Trapmaterial (zum
Beispiel als funktionelle Komponente zum Beeinflussen einer Eigenschaft
oder Zusammensetzung der Probe) zum Aufnehmen von zu entfernenden
Komponenten der Probe und eine Umhüllung aufweist, die das Trapmaterial
umschließt
und eine Membranfunktion (zum Beispiel als Filter zum Determinieren,
welche Komponenten der Probe mit dem Trapmaterial in Kontakt gebracht
werden sollen und welche nicht) aufweist.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist ein Messgerät
zum Untersuchen einer Probe bereitgestellt, die in das Messgerät injizierbar
ist, wobei das Messgerät
Präparationssubstanz
mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Präparieren der Probe in dem Messgerät aufweist.
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Gemäß noch einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist ein Verfahren zum Präparieren
einer Probe bereitgestellt, wobei bei dem Verfahren die Probe mit
einer Präparationssubstanz in
Wirkverbindung gebracht wird, welche Präparationssubstanz Trapmaterial
zum Aufnehmen von zu entfernenden Komponenten der Probe und eine
Umhüllung
aufweist, die das Trapmaterial umschließt und eine Membranfunktion
aufweist.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Präparationsmaterial bereitgestellt,
das einen Kern aus einem Trapmaterial zum Aufnehmen von bestimmten
Bestandteilen einer Probe und eine den Kern vollständig umgebende Umhüllung aufweist,
welche als Membran wirkt und aufgrund dieser Membranwirkung nur
bestimmte Komponenten der Probe in das Innere der zum Beispiel beadsförmigen Präparationssubstanz
hineinlässt.
Auf diese Art und Weise kann durch einfaches Hindurchleiten einer
zu präparierenden
Probe durch eine Anordnung von solchen Beads eine effiziente Wechselwirkung
mit einer hohen effektiven Austauschoberfläche erreicht werden und somit
ohne den Einsatz aufwendiger menschlicher Arbeitskraft eine Präparation
erreicht werden.
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Im
Weiteren werden zusätzliche
exemplarische Ausführungsbeispiele
der Präparationssubstanz
beschrieben. Diese gelten auch für
das Messgerät
und das Verfahren.
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Die
Umhüllung
kann das Trapmaterial vollumfänglich
umschließen
und somit eine geschlossene Oberfläche bilden. Somit kann durch
die Wahl des Membranmaterials definiert werden, welche Komponenten
der Probe mit dem Trapmaterial in Wirkverbindung gebracht werden
können
und welche nicht.
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Die
Umhüllung
kann für
Komponenten der Probe mit einer Molekulargröße unterhalb eines Schwellwerts
durchlässig
und für
Komponenten der Probe mit einer Molekulargröße oberhalb des Schwellwerts
undurchlässig
sein. Auf diese Art und Weise können
zum Beispiel Makromoleküle
(wie Proteine oder DNA) in der Probe belassen werden, wohingegen
kleine Moleküle
(Salze, Wasser, organisches Lösungsmittel,
etc.) aus der Probe entfernt werden können.
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Zum
Beispiel kann der Schwellwert im Bereich zwischen ungefähr 1 kDa
und ungefähr
1000 kDa liegen, insbesondere in einem Bereich zwischen ungefähr 10 kDa
und ungefähr
100 kDa. Diese Größen sind
geeignet, Makromoleküle
wie zum Beispiel Proteine oder DNA von kleineren Substanzen zu trennen
bzw. zu befreien oder zu reinigen.
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Die
Umhüllung
kann mikro- bzw. nanoporös sein.
Die Porengröße kann
so ausgewählt
werden, dass der gewünschte
Schwellwert erreicht werden kann.
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Die
Umhüllung
kann semipermeabel sein. Mit einer halbdurchlässigen Umhüllung kann eine Membranfunktion
selektiv eingestellt werden.
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Die
Umhüllung
kann zum Beispiel eine Dicke von höchstens ungefähr 1 mm,
insbesondere von höchstens
ungefähr
300 μm,
weiter insbesondere von höchstens
ungefähr
30 μm aufweisen.
Insbesondere bei einer Dicke von einigen 10 μm ist eine gute Kopplung zwischen
Probe und Trapmaterial ermöglicht,
und dennoch ein hoher Grad an Selektivität gewährleistet.
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Die
Umhüllung
kann zum Beispiel Polyvinylalkohol aufweisen, so dass eine Polyvinylalkoholmembran
eingesetzt werden kann.
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Das
Trapmaterial kann einen Ionenaustauscher zum Entsalzen der Probe
aufweisen. Ein Ionenaustauscher hat die Eigenschaft, dass in dem Trapmaterial
unerwünschte
Salze gespeichert bzw. absorbiert werden können.
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Das
Trapmaterial kann Silicagel (auch Kieselgel) zum Entwässern der
Probe aufweisen. Silicagel kann die Eigenschaft haben, Wassermoleküle zu binden
und somit eine Aufkonzentrierung der Probe zu unterstützen.
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Das
Trapmaterial kann hydrophobe Eigenschaften haben und die Umhüllung kann
hydrophile Eigenschaften aufweisen.
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Die
Präparationssubstanz
kann in Form von Kugeln oder Beads vorgesehen sein. Diese können zum
Beispiel eine Dimension von höchstens
ungefähr
5 mm, insbesondere von höchstens
ungefähr
2 mm, weiter insbesondere von höchstens
ungefähr
1 mm oder kleiner aufweisen. Dadurch kann ein schüttfähiges Material
erhalten werden, dass zum Beispiel in einen Probenbehälter wie
einen Eppendorf-Behälter eingefüllt werden
kann. Ein zu präparierendes Fluid
kann auch durch einen durchflossenen Probenbehälter hindurchgeleitet werden.
Beim Durchfließen des
Probenbehälters
können
dann Probenbestandteile mit den Beads oder Kugeln in Wechselwirkung treten
und automatisch vorpräpariert
werden.
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Die
Präparationssubstanz
kann zum Präparieren
einer fluidischen Probe eingerichtet sein, insbesondere einer flüssigen Probe,
weiter insbesondere einer biologischen Probe. Auf diese Art und
Weise kann zum Beispiel eine biologische Probe mit Proteinen, DNA,
Enzymen, Zellen, Viren, Bakterien und/oder anderen Bestandteilen
sauber vorpräpariert werden.
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Im
Weiteren werden zusätzliche
Ausgestaltungen des Messgeräts
beschrieben. Diese gelten auch für
die Präparationssubstanz
und das Verfahren.
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Das
Messgerät
kann ein Trennelement aufweisen, insbesondere eine Trennsäule, zum
Trennen unterschiedlicher Fraktionen der injizierten Probe. Ein
solches Ausführungsbeispiel
kann insbesondere vorteilhaft eingesetzt werden, wenn das Messgerät ein Chromatographiegerät ist, insbesondere
eine HPLC ist.
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Das
Messgerät
kann als mikrofluidisches Messgerät eingerichtet sein. Somit
kann das Messgerät
zum Beispiel ein mikrofluidischer Chip oder ein anderes mikrofluidisches
Messgerät
sein, mit welchem geringe Probemengen in der Größenordnung von μl analysiert
werden.
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Das
Messgerät
kann zum Beispiel als Life Science Gerät, Flüssigchromatographiegerät, HPLC (High
Performance Liquid Chromatography), Elektrophoresegerät oder Gelelektrophoresegerät eingerichtet
sein. Somit sind verschiedene Anwendungen in unterschiedlichsten
technischen Gebieten möglich.
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Im
Weiteren werden zusätzliche
Ausgestaltungen des Verfahrens beschrieben. Diese gelten auch für das Probenpräparationssubstanz-
und das Messgerät.
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Bei
dem Verfahren kann die Probe mit der Präparationssubstanz in Wirkverbindung
gebracht werden, um eine Konzentration einer Komponente der Probe
zu erhöhen.
Dadurch kann ein Aufkonzentrieren von Proben in einfacher Weise
durchgeführt werden.
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Alternativ
oder ergänzend
kann die Probe mit der Präparationssubstanz
in Wirkverbindung gebracht werden, um Komponenten der Probe mit
einer Molekulargröße unterhalb
eines Schwellwerts herauszufiltern. Niedermolekulare Komponenten
können
auf diese Art und Weise einfach und effizient entfernt werden. Ein
solches Ausführungsbeispiel
kann zum Beispiel zur Proteinreinigung verwendet werden.
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Alternativ
oder ergänzend
kann die Probe mit der Präparationssubstanz
in Wirkverbindung gebracht werden, um eine Salzkonzentration der
Probe zu verringern. Auf diese Art und Weise können Salze wirksam entfernt
werden.
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Die
Probe kann alternativ oder ergänzend mit
der Präparationssubstanz
in Wirkverbindung gebracht werden, um eine Konzentration organischer Lösungsmittel
der Probe zu verringern. Für HPLC-Anwendungen
kann es wünschenswert
sein, die Konzentration organischer Lösungsmittel unterhalb eines
Schwellwertes zu belassen, was mit der beschriebenen Maßnahme erreicht
werden kann.
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Somit
ist erfindungsgemäß ein Probenpräparationsmaterial
für flüssige Proben,
insbesondere für Proben
mit makromolekularen Komponenten bereitgestellt.
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Das
Entfernen bestimmter Lösungsmittelkomponenten
von Lösungen
von makromolekularen Proben ist ein häufiges Problem in der chemischen, biochemischen,
biologischen und medizinischen Analyse. Dies kann das Entfernen
von Salzen, organischen Lösungsmitteln
aus einer Lösung
oder das Entfernen von Wasser zum Zwecke einer Probenkonzentration
enthalten. Gegenüber
herkömmlichen Methoden
wie Dialyse, chromatographische oder verwandte Techniken kann erfindungsgemäß ein Entfernen
unerwünschter
niedermolekularer Komponenten aus Proben ermöglicht werden, indem unerwünschte Komponenten
in einem Fängermedium
gefangen werden können,
das auch als Absorber bezeichnet werden kann. Der direkte Kontakt
des Absorbers mit den Makromolekülen
soll ausgeschlossen werden, so dass die Partikel des Absorbers mit einer
semipermeablen Membran oder Beschichtung beschichtet sein können, die
für niedermolekulare Komponenten
durchlässig
und für
Makromoleküle undurchlässig sein
kann. Der Absorber zum Entsalzen kann zum Beispiel eine Mischung
von Kationen- und Anionenaustauschharzen sein, zum Beispiel Beads
mit einem Durchmesser von einigen 10 μm, die mit einer entsprechenden
Membran oder Beschichtung beschichtet sein können, wie zum Beispiel Polyvinylalkohol
oder ähnliches,
was den Zugang von kleinen Ionen zu dem Ionenaustauscher ermöglichen kann,
aber den Kontakt von Makromolekülen
ausschließen
kann.
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Mit
diesem Ansatz kann ein schnelles einstufiges Probenentsalzen mittels
Beförderns
einer Probe durch ein mit Probenpräparationsmedium gepacktes Röhrchen ermöglicht werden.
Oder es kann mittels einer in situ Behandlung, zum Beispiel mittels
eines direkten Hinzufügens
des Absorbers zu einem Assay oder in ein Probenvial auf einem mikrofluidischen
Chip, ein effizientes Präparieren
ermöglicht werden.
Falls die Absorberbeads groß genug
sind, können
diese in dem Well zurückgehalten
werden und stören
somit die mikrofluidische Analyse nicht.
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Andere
Arten von Absorbern sind ebenfalls möglich, zum Beispiel hydrophobe
Absorber zum Entfernen organischer Komponenten oder hygroskopische
Absorber zum Entfernen von Wasser und zum Aufkonzentrieren einer
Probe.
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Im
Rahmen der Durchführung
einer Separationstechnik kann ein Präparieren einer Probe erforderlich
sein, zum Beispiel das Ändern
einer Probenkonzentration. Je nach verwendeter Trenntechnik sollte
das Gemisch bestimmte Anforderungen erfüllen (zum Beispiel in der Chromatographie).
Bei einem Elektrophorese-basierten Verfahren sollen Gemische zum
Beispiel bestimmte Salzkonzentrationen nicht überschreiten. Dies kann erforderlich
sein, um ein nachfolgendes Trennverfahren nicht negativ zu beeinflussen.
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Erfindungsgemäß kann somit
eine Probe vorbereitet werden, die Makromoleküle enthält.
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Das
Trapmaterial kann erfindungsgemäß mit einer
semipermeablen Dialysemembran umgeben sein, die für niedermolekulare
Komponenten durchlässig und
für hochmolekulare
Komponenten undurchlässig
ist. Dadurch kann zum Beispiel eine effiziente Probenentsalzung
durchgeführt
werden.
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Bei
kleinen Probenvolumina kann daher eine Falle für zu entfernende Komponenten
in ein Bead eingebracht werden. Dieses Bead kann mit einer Beschichtung
versehen werden, die nur für
niedermolekulare Komponenten durchlässig ist, nicht jedoch für hochmolekulare
Komponenten. Auch ist der Einsatz poröser Beads möglich.
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Erfindungsgemäß kann ein
Material mit einer Trennfunktion (zum Beispiel nach dem Trennkriterium
groß/klein)
im Inneren einer geschlossenen Oberfläche aufgebracht werden, zum
Beispiel innerhalb einer Kugeloberfläche von Beads.
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Es
ist auch möglich,
eine Porenoberfläche
einer porösen
Membran zu funktionalisieren.
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Es
ist möglich,
solche Beads nach der durchgeführten
Probenpräparation
aus einem Probenbehälter
zu entfernen, oder auch dort zu belassen und die Probe zu entnehmen.
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Sind
funktionalisierte Beads in einem Röhrchen enthalten, so kann eine
Probe mit zum Beispiel organischen Lösungsmitteln durch eine solche
mit Beads gefüllte
Röhre gepumpt
werden, und dann an einem anderen Ende der Röhre die Probe mit reduziertem
Anteil an organischem Lösungsmittel
entnommen und weiterverarbeitet werden.
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Die
Beads können
ausreichend klein gestaltet sein, um die Diffusionszeit von Probekomponenten
bis zum Mittelpunkt des Beads klein zu halten und ein großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis zu
erreichen. Andererseits sollten die Beads ausreichend groß sein,
um ein aufwändiges
Entfernen der Partikel aus der Probe zu vermeiden.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
ist ein Trapmaterial zum Fangen von zu entfernenden Lösungskomponenten
vorgesehen, das von einer Hülle
umschlossen ist, welche eine Membranfunktion wahrnimmt.
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Zur
Wasserentfernung kann Silicagel von einer hydrophilen Hülle umgeben
sein, welche keine oder nur geringe Wechselwirkungen mit den makromolekularen
Teilchen aufweisen kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Andere
Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und
besser verständlich
werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen. Merkmale, die im wesentlichen oder funktionell gleich
oder ähnlich
sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine Probenpräparationssubstanz
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 zeigt
eine Probenpräparationsvorrichtung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die
Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
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1 zeigt
ein kugelförmiges
Bead 100 gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung als Präparationssubstanz
zum Präparieren einer
Probe 102, die das Bead 100 umgibt.
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Das
Bead 100 hat als Kern ein Trapmaterial 104 zum
Aufnehmen von zu entfernenden Komponenten der Probe 102.
Um das Trapmaterial 104 herum ist eine Umhüllung 106 gebildet,
die das Trapmaterial 104 umschließt und eine Membranfunktion
aufweist.
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Wie
in 1 schematisch angedeutet ist, enthält die Probe 102 makromolekulare
Komponenten 108, die in der Probe 102 verbleiben
sollen, und weist kleine Komponenten 110, wie zum Beispiel Wassermoleküle, Salzmoleküle oder
organische Lösungsmittel,
auf, die zumindest zum Teil von dem Trapmaterial 104 aus
der Probe entfernt werden sollen.
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Wie
in 1 gezeigt, umschließt die Umhüllung 106 das Trapmaterial 104 vollumfänglich und
bildet somit eine geschlossene Oberfläche aus. Die Umhüllung ist
porös vorgesehen
(siehe Poren 112), wobei die Poren 112 das Trapmaterial 104 mit
dem Partikeläußeren verbinden
und derart dimensioniert sind, dass die Makromoleküle 108 durch
die Poren 112 nicht hindurchgelangen können, wohingegen die kleinen
Moleküle 110 durch
die Poren 112 hindurch in Wirkkontakt mit dem Trapmaterial 104 gelangen
können.
Zum Beispiel kann der Schwellwert, das heißt die Größe von Molekülen, welche
durch die Poren 112 gerade noch hindurchtreten können, bei
10 kDa liegen. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 beträgt die Dicke
d der Membranhülle 106 30 μm.
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Als
Trapmaterial 104 kann zum Beispiel ein Ionenaustauscher
eingesetzt werden, um die Probe 102 zu entsalzen. Das Trapmaterial 104 kann
auch Silicagel aufweisen, um die Probe 102 zu entwässern. Ebenfalls
kann das Trapmaterial 104 hydrophobe Eigenschaften aufweisen.
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Ein
Innendurchmesser D der Beads 100 kann zum Beispiel 0.2
mm sein. Eine Vielzahl von Beads 100 können als Schüttgut vorgesehen
sein.
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2 zeigt
eine Probenpräparationsvorrichtung 200 gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die
Probenpräparationsvorrichtung 200 weist
ein Probengefäß 202 auf,
in welches eine Probe 102 zum Beispiel mittels einer Pipette
oder einer Injektionsnadel injiziert werden kann. In dem Röhrchen 202 sind
eine Vielzahl von Beads 100 als Schüttgut eingefüllt, so
dass die Probe 102 unter dem Einfluss der Gravitation g,
unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft in einer Zentrifuge (nicht
gezeigt) oder unter Druck von einer externen Druckquelle durch die
Beads 100 hindurchläuft,
um gereinigt in einen Probenbehälter
oder Vial 204 gesammelt werden zu können.
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Es
sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen" nicht andere Elemente ausschließt und dass
das „ein" nicht eine Mehrzahl
ausschließt.
Auch können
Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden,
dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht
als den Schutzbereich der Ansprüche
beschränkend
ausgelegt werden sollen.