DE102008052232A1

DE102008052232A1 - Rotor für eine Zentrifuge

Info

Publication number: DE102008052232A1
Application number: DE102008052232A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Singer
Original assignee: Qiagen GmbH
Current assignee: Qiagen GmbH
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-05-20
Also published as: JP2012505738A; US20110224063A1; WO2010043605A1; EP2349575A1; CN102186596A

Abstract

Eine Vorrichtung (10) für eine Zentrifuge zur Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen, weist einen Rotorkörper (12) zur drehbaren Lagerung um eine Drehachse in der Zentrifuge auf. Erfindungsgemäß weist der Rotorkörper (12) zudem mindestens einen Kanal (14) zum Hindurchleiten einer Probenflüssigkeit auf. Durch die Integration des Kanals (14) in den Rotorkörper (12) werden die Isolierungs- und/oder Reinigungsverfahren vereinfacht und die längere nutzbare Strecke zur Auftrennung von Proben führt zu einer verbesserten Trennleistung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen, eine entsprechende Zentrifuge und ein Verfahren zum Zentrifugieren von Probenflüssigkeiten.
Entsprechende Vorrichtungen bzw. Verfahren finden Anwendung bei der Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen wie z. B. bei der Aufreinigung von Nukleinsäuren, sowie allgemein der Auftrennung von Flüssigkeiten.
Verfahren zur Isolierung bzw. Reinigung von Biomolekülen sind allgemein bekannt. Es existieren die unterschiedlichsten Ein- und Mehrschrittverfahren. Diese werden entweder manuell nach einer genau festgelegten Vorgehensweise von einer entsprechend geschulten Fachkraft oder mit Hilfe geeigneter Systeme automatisiert durchgeführt. Dabei findet in vielen Verfahren eine Zentrifuge für mindestens einen Verfahrensschritt Verwendung.
Als Beispiel für eine derartige Zentrifuge ist in der DE 20 2005 006 273 U1 eine Laborzentrifuge mit einem Rotor beschrieben. Der um eine zentrisch angeordnete Rotornabe drehbare Rotor weist einen Rotordeckel und Aufnahmen mit oberseitigen Öffnungen für Gefäße in einem Abstand von der Nabenachse auf. Die Gefäße, die in den Aufnahmen aufgenommen werden, können mit einer zu separierenden Flüssigkeit befüllt werden. Das Auftrennen erfolgt durch das Zentrifugieren.
Nachteilig bei den bekannten manuellen Verfahren ist, dass diese arbeits- sowie zeitintensiv sind und dass aufgrund der z. T. hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Ausführung, hohe Ansprüche an das Bedienpersonal gestellt werden. Diese Nachteile werden bei den automatisierten Systemen zwar teilweise deutlich verringert, allerdings sind diese Systeme dafür sehr komplex und teuer.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen, eine entsprechende Zentrifuge und ein Verfahren zum Zentrifugieren von Probenflüssigkeiten zur Verfügung zu stellen, das die Durchführung der manuellen Verfahren erheblich vereinfacht, ohne dabei die Komplexität und die Kosten der automatisierten Systeme zu erreichen und gleichzeitig eine Verbesserung der Isolierungs- und/oder Reinigungsleistung mit sich bringt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Zentrifuge mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen, die vorteilhaft auch zur Aufreinigung von Nukleinsäuren dienen kann, weist einen drehbar in einer Zentrifuge gelagerten Rotorkörper auf. Erfindungsgemäß weist der Rotorkörper mindestens einen Kanal zum Hindurchleiten einer Probenflüssigkeit auf.
Unter Rotorkörper wird im Rahmen der Erfindung sowohl ein eigenständiger Rotor für eine Zentrifuge verstanden, als auch ein Zusatzkörper, der mit den Rotoren in vorhandenen Zentrifugen fest oder lösbar verbunden werden kann, z. B. durch Aufstecken.
Durch die Integration des Kanals für die Probenflüssigkeit in den Rotorkörper lassen sich die manuellen Verfahren vereinfachen. Ist dieser einmal mit einer für das Verfahren geeigneten Trenn-, Isolierungs- oder Reinigungsmatrix sowie der Probenflüssigkeit bestückt, verläuft der weitere Verarbeitungsvorgang in der Zentrifuge alleine ab.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rotorkörpers ist die zum Auftrennen zur Verfügung stehen Strecke nicht mehr durch die Größe der in den Zentrifugenrotor passenden Gefäße beschränkt. Die zur Verfügung stehende längere Strecke der Kanäle erlaubt ein besseres Auftrennen, da die Probenflüssigkeit, vergleichbar zur Gaschromatographie, ungehindert einen längeren Weg durch den mindestens einen Kanal zurück legt. Durch die bessere Trennleistung wird das Zentrifugieren mehrerer Fraktionen unnötig und führt zu einem reduzierten Arbeitsaufwand. Die Kanäle können durchgängig, ohne mehrere Hindernisse, die die Trennung beeinträchtigen könnten, ausgebildet sein und somit ein ungehindertes, kontinuierliches Hindurchfließen durch einen insbesondere im Wesentlichen konstanten Querschnitt ermöglichen. Durch die gegenüber herkömmlichen Verfahren verlängerbare Laufstrecke der Probenflüssigkeit, kann die Trennqualität und Trennschärfe auch bei Ein-Schritt-Verfahren, wie beispielsweise der Gelfiltration, deutlich verbessert werden.
Der Rotor kann mit einer Vielzahl von Kanälen ausgeführt sein, so dass mehrere Proben in einem Arbeitsschritt gleichzeitig aufgetrennt werden können. Die Kanäle können vom Rotorkörper selber ausgebildet sein. Die Eingänge zum Beladen der Kanäle können auch in Gruppen, insbesondere in Achter-Gruppen, nebeneinander angeordnet sein, um eine Bearbeitung mit Mehrkanalpipetten zu ermöglichen.
Der Rotor kann zur einmaligen Benutzung gedacht und aus Kunststoffspritzguss gefertigt sein. Zur kostengünstigen Fertigung von komplexeren Kanalstrecken kann der Rotor auch zwei- oder mehrschalig ausgeführt sein, wobei die Kanäle zwischen den Schalen ausgebildet werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine mit dem wenigstens einen Kanal verbundene zentrale Einfüllöffnung vorgesehen ist, die im Bereich der Drehachse des Rotorkörpers angeordnet ist. Durch das Befüllen dieser Einfüllöffnung mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einer Trennmatrix für das Aufreinigen von Nukleinsäuren, ist das zeitsparende Befüllen der Kanäle mit der Flüssigkeit möglich. Nach dem Befüllen der Einfüllöffnung kann durch kurzes Einschalten der Zentrifuge die Trennmatrix in die Kanäle zentrifugiert und diese dadurch zeitgleich homogen gefüllt werden. In der Einfüllöffnung kann eine Rotornabe, die entlang der Drehachse der Zentrifuge verläuft, ausgebildet sein, um die der Rotorkörper drehend gelagert ist. Die Flüssigkeit in der Einfüllöffnung kann dabei eine ringförmige Form um die Rotornabe herum annehmen. Als Trennmatrices können insbesondere Gelfiltrationsmaterialien oder immobilisierte Metall Affinitäts Chromatographie(IMAC)-Materialien, um beispielsweise selektiv RNA zurückzuhalten, verwendet werden.
Vorzugsweise können die Kanäle des Rotors eine Zugangsöffnung zur Einleitung der Probenflüssigkeit aufweisen. Die Zugangsöffnung kann insbesondere zur Aufnahme einer Pipettenspitze ausgestaltet ist. Diese Zugangsöffnung ermöglicht das individuelle Befüllen der Kanäle mit einer Flüssigkeit, insbesondere einer Probenflüssigkeit, die beispielsweise eine Nukleinsäure oder Proteine aufweist. Eine besondere Ausgestaltung der Zugangsöffnung zur Aufnahme der Pipettenspitze erleichtert dabei das Befüllen und stellt sicher, dass die Probenflüssigkeit nur in den jeweiligen Kanal gelangt.
Vorteilhaft kann die Zugangsöffnung radial außen von der zentralen Einfüllöffnung angeordnet sein. So kann der Kanal z. B. radial von innen nach außen verlaufen. So können alle Kanäle, wie ausgeführt, durch Benutzung der zentralen Einfüllöffnung gleichzeitig mit z. B. der Trennmatrix befüllt und dann jeder Kanal mit einer eigenen Probenflüssigkeit bestückt werden. Durch anschließendes Zentrifugieren werden dann die Probenflüssigkeiten durch den Kanal und die darin befindliche Matrix nach außen bewegt und so aufgetrennt.
Vorzugsweise weist der wenigstens eine Kanal mindestens eine Ausgangsöffnung auf. Diese ist vorteilhaft radial außen von der Zugangsöffung angeordnet. Durch die Ausgangsöffnung können Teile des Kanalinhaltes nach dem Durchlaufen des Kanals außen abgenommen werden.
Dazu kann die Ausgangsöffnung vorteilhaft eine Befestigungseinrichtung für ein Probenfläschchen aufweisen. Die Probenfläschchen können auch in Gruppen, insbesondere in Achter-Gruppen, nebeneinander angeordnet sein, um eine Bearbeitung mit Mehrkanalpipetten zu ermöglichen. Ist ein getrenntes Auffangen der Probenflüssigkeit aus den Kanälen nicht nötig und/oder soll nur eine Verschmutzung eines Zentrifugengehäuses vermieden werden, kann auch ein ringförmiges Auffanggefäß an dem Rotorkörper befestigt werden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rotorkörpers ermöglicht auch das Verschließen eines oder mehrerer Kanäle.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Kanal zur Aufnahme einer Fritte ausgebildet. Die Fritte kann bereits fest in den Kanal des Rotors eingebaut sein, so dass ein separates Einsetzen nicht erforderlich ist. In einer alternativen Ausführungsform ist für das Einsatzen der Fritte eine zusätzliche Einführöffnung vorgesehen. Möglich ist auch, dass die Fritte in die Zugangsöffnung oder die Ausgangsöffnung einsetzbar ist, wobei im Fall, dass das Einsetzen der Fritte durch die Zugangsöffnung erfolgt ist, der Rotorkörper rotiert wird, um die Fritte zu der Ausgangsöffnung des Kanals zu transportieren. Erst danach wird die Trennmatrix zugegeben und durch eine kurze Rotation des Rotorkörpers in die passende Position gebracht. Die Fritte verhindert dabei ein Austreten der Trennmatrix durch die Ausgangsöffnung.
Das Einsetzen der Fritte ermöglicht es die Probenflüssigkeit durch die Fritte hindurch zu zentrifugieren. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, für jeden Kanal eine individuelle Fritte zu verwenden. Die durch die Fritte zentrifugierte Flüssigkeit kann für jeden Kanal separat in einem Probenfläschchen für weitere Untersuchungen aufgefangen werden. Dabei kann die die Fritte – in Unterstützung der Trennmatrix – beispielsweise das nicht gewünschte Produkt zurück halten und das gewünschte Produkt befindet sich im Eluat, oder umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Rotors weisen die Kanäle Strecken auf, die zumindest teilweise anteilig quer zur Radialrichtung ausgebildet sind. Durch diese Ausführungsform ist beispielsweise die Ausbildung spiralförmiger und/oder mäanderförmiger Kanalstrecken möglich. Dies führt zu einer Verlängerung der Kanalstrecke, die für die Auftrennung von Flüssigkeiten zur Verfügung steht. Dieses kann ein erneutes Fraktionieren von Proben erübrigen und somit zu einer Reduzierung der Anzahl der nötigen Arbeitsschritte führen. Diese Ausführungsform ermöglicht auch ein individuelles, den Proben angepasstes, Beschichten und/oder Auskleiden der Kanäle mit geeigneten Materialien.
Der Kanal kann insbesondere durch einen Schlauch, beispielsweise einen Silikonschlauch, ausgebildet sein. Die Ausbildung der Kanäle durch Schläuche ermöglicht eine einfachere Konstruktion des Rotors, da dieser nur noch die Schläuche hält, aber nicht mehr abgedichtet ausgeführt sein muss. Der Rotorkörper kann mit abstehenden Stegen zum Fixieren des Schlauches ausgeführt sein. Ebenso ist es möglich, dass der Rotorkörper Vertiefungen ausbildet, in die der Schlauch hineingelegt werden kann.
In Ausgestaltung kann die Vorrichtung derart ausgeführt sein, dass der Rotorkörper zum Aufsatz auf einen Rotor einer an sich bekannten Zentrifuge geeignet ist. Dies kann die Investition in kostspielige Spezialgeräte, beispielsweise vollautomatische Systeme, insbesondere zur Aufreinigung von Nukleinsäuren erübrigen und auch kleineren Labors die kostengünstige Aufreinigung von Nukleinsäuren ermöglichen. Durch die Benutzung der oft ohnehin schon vorhandenen Laborzentrifuge werden die erfindungsgemäßen Vorzüge ohne große Investitionen nutzbar.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Zentrifugieren von Probenflüssigkeiten, beispielsweise zum Aufreinigen von Nukleinsäuren. Zunächst erfolgt das Bereitstellen einer Vorrichtung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Die Kanäle des Rotors werden zumindest teilweise mit einer Trennmatrix benetzt und mit einer Probenflüssigkeit befüllt. Durch das Rotieren des Rotors erfolgt die zumindest teilweise Auftrennung der Probenflüssigkeit.
So werden die erfindungsgemäßen Vorteile, genau wie mit der im vorangegangenen beschriebenen Vorrichtung, erreicht und es wird eine verbesserte Trennleistung erreicht.
Vorzugsweise kann bei dem Verfahren, beispielsweise vor dem Benetzen des wenigstens einen Kanals mit der Trennmatrix, in den Kanal durch die Zugangsöffnung oder die Ausgangsöffnung eine Fritte eingesetzt und im Fall, dass das Einsetzen der Fritte durch die Zugangsöffnung erfolgt ist, der Rotorkörper rotiert werden, um die Fritte zu der Ausgangsöffnung des Kanals zu transportieren. Die Auswahl der Fritte kann dabei an die jeweilige Probe angepasst werden. In diesem Fall erfolgt erst danach das Benetzen und Auftrennen der Probenflüssigkeit.
In Ausgestaltung wird das teilweise Benetzen des wenigstens einen Kanals mit der Trennmatrix, durch Einbringen der Trennmatrixsubstanz in die zentrale Einfüllöffnung und anschließendes Rotieren der Vorrichtung bewirkt.
Erforderlichenfalls kann das Verfahren mit der zumindest teilweise aufgetrennten Probenflüssigkeit mindestens einmal wiederholt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
1: eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Rotors für eine Zentrifuge,
2: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 10 besteht aus einem Rotor für eine Zentrifuge und umfasst einen Rotorkörper 12 zur drehbaren Lagerung in einer nicht näher dargestellten, an sich bekannten Zentrifuge. Der Rotorkörper 12 weist in seinem Zentrum eine Einfüllöffnung 16 auf, in der eine Rotornabe 28 ausgebildet ist, die entlang der Drehachse der Zentrifuge verläuft und um die der Rotorkörper 12 drehbar gelagert ist. Der Rotorkörper 12 weist mehrere Kanäle 14 zum Hindurchleiten einer Probenflüssigkeit, beispielsweise Lysata, auf. Die Einfüllöffnung 16 dient der Aufnahme einer Trennmatrix, die durch kurzes Zentrifugieren von der Einfüllöffnung 16 durch Öffnungen 18 hindurch in die einzelnen Kanäle 14 verteilt wird. Durch Zugangsöffnungen 20 werden die Proben in die mit der Trennmatrix benetzten Kanäle 14 eingeleitet. Zum Auftrennen der Proben verwendete Fritten werden durch, an der Außenseite der Kanäle 14 angeordnete Ausgangsöffnungen 22, durch eine Einführöffnung 26 oder durch die Zugangsöffnungen 20 in den jeweiligen Kanal 14 eingesetzt und im letzten Fall vor dem Einfüllen der Trennmatrix durch kurzes Zentrifugieren in den Kanälen 14 nach außen bewegt.
Der Rotorkörper 12 kann, wie in 2 exemplarisch dargestellt, Kanäle 14 aufweisen, die mäanderförmig ausgebildet sind, um die zum Auftrennen der Proben zu Verfügung stehende Strecke zu verlängern. An einer der Ausgangsöffnungen 22 ist beispielhaft ein Probenfläschchen 24 dargestellt, das die Probenflüssigkeit während des Zentrifugierens aufnehmen kann. Für eine Weiterbearbeitung mit Mehrkanalpipetten, können mehrere Probenfläschchen 24 nebeneinander in flexiblen Streifen angebracht sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005006273 U1 [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen, mit einem drehbar in einer Zentrifuge gelagerten Rotorkörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (12) wenigstens einen Kanal (14) zum Hindurchleiten einer Probenflüssigkeit aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem wenigstens einen Kanal (14) verbundene zentrale Einfüllöffnung (16) vorgesehen ist, die im Bereich der Drehachse des Rotorkörpers (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kanal (14) eine Zugangsöffnung (20) zur Einleitung der Probenflüssigkeit aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Zugangsöffnung (20) radial außen von der zentralen Einfüllöffnung (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kanal (14) mindestens eine Ausgangsöffnung (22) aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsöffnung (22) radial außen von der Zugangsöffnung (20) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsöffnung (22) eine Befestigungseinrichtung für ein Probenfläschchens (24) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kanal (14) zur Aufnahme einer Fritte ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fritte in die Zugangsöffnung (20) oder in die Ausgangsöffnung (22) einsetzbar ist
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kanal (14) Kanalstrecken aufweist, die zumindest teilweise anteilig quer zur Radialrichtung ausgebildet sind, so dass der Kanal (14) zumindest teilweise spiralförmig und/oder mäanderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (14) als Schlauch oder als Silikonschlauch, ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (12) zum Aufsatz auf einen Rotor einer an sich bekannten Zentrifuge ausgebildet ist.
Zentrifuge zur Isolierung und/oder Reinigung von Biomolekülen, mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Zentrifugieren von Probenflüssigkeiten, mit den Schritten, Bereitstellen einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder einer Zentrifuge nach Anspruch 13, zumindest teilweises Benetzen wenigstens einen Kanals (14) mit einer Trennmatrix, Einleiten der Probenflüssigkeit in den wenigstens einen benetzten Kanal (14), Rotieren der Vorrichtung (10) zur zumindest teilweisen Auftrennung der Probenflüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem vor dem Benetzen des wenigstens einen Kanals (14) mit der Trennmatrix, in den Kanal (14) durch die Zugangsöffnung (20) oder die Ausgangsöffnung (22) eine Fritte eingesetzt wird; und im Fall, dass das Einsetzen der Fritte durch die Zugangsöffnung (20) erfolgt ist, der Rotorkörper (12) rotiert wird, um die Fritte zu der Ausgangsöffnung (22) des Kanals (14) zu transportieren.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das teilweise Benetzen des wenigstens einen Kanals (14) mit der Trennmatrix, durch Einbringen der Trennmatrixsubstanz in die zentrale Einfüllöffnung (16) und anschließendes Rotieren der Vorrichtung (10) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das Verfahren mit der bereits zumindest teilweise aufgetrennten Probenflüssigkeit mindestens einmal wiederholt wird.