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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aufreinigungseinheit zum Aufreinigen zumindest einer Substanz aus einer Probenflüssigkeit, auf eine Aufreinigungsvorrichtung, auf ein Verfahren zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit, auf ein Verfahren zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Für die Durchführung biochemischer Prozesse kommen zunehmend sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme, auch Westentaschenlabore oder Chiplabore genannt, zum Einsatz. Dabei handelt es sich beispielsweise um mikrofluidische Systeme, bei denen eine gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem etwa plastikkartengroßen Kunststoffsubstrat untergebracht werden kann. Zudem ist die Aufreinigung gegenwärtig nur manuell über Säulen, Ausfällen oder durch Pipettierautomaten durchführbar, was insbesondere im Labormaßstab sehr teuer ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Aufreinigungseinheit zum Aufreinigen zumindest einer Substanz aus einer Probenflüssigkeit, eine Aufreinigungsvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit, ein Verfahren zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit, weiterhin eine Vorrichtung, die diese Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Aufreinigungseinheit zum Aufreinigen zumindest einer Substanz aus einer Probenflüssigkeit, wobei die Aufreinigungseinheit folgende Merkmale aufweist:
eine Probenkammer zum Aufnehmen der Probenflüssigkeit;
eine Reagenzkammer zum Aufnehmen eines Reagenzes;
eine über einen Reagenzkanal mit der Reagenzkammer und über einen Probenkanal mit der Probenkammer verbundene oder verbindbare Filtereinrichtung zum Ausfiltern der Substanz aus der Probenflüssigkeit unter Verwendung des Reagenzes;
eine Halteeinrichtung zum Anordnen und/oder Halten eines auswechselbaren Auffangbehälters an einem Ablauf der Filtereinrichtung, um die Substanz aufzufangen; und
eine Schnittstelle zu einem Drucksteuergerät zum Steuern eines Flüssigkeitstransports innerhalb der Aufreinigungseinheit durch Beaufschlagen der Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck.
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Die Aufreinigungseinheit kann beispielsweise als ein Lageverbund aus mehreren Kunststofflagen, insbesondere aus Polymersubstraten und flexiblen Polymermembranen, realisiert sein. Eine aufzureinigende Substanz kann eine biochemische Substanz wie etwa Nukleinsäuren, insbesondere DNA, RNA, oder Proteine sein. Diese können aus einer Matrix entweder auf dem Chip oder außerhalb der Vorrichtung, die in diesem Patent vorgestellt wird, lysiert und/oder extrahiert werden, beispielsweise Zellmaterial (Blut, Zellkultur, Lebensmittel, Gewebe, Speichel, Körperflüssigkeiten, Pflanzen, etc.). Die Lyse kann entweder mit Reagenzien durch eine chemische Reaktion, und/oder thermisch und/oder elektrisch und/oder mittels Ultraschall stattfinden. Unter einem Reagenz kann ein Stoff verstanden werden, der in Verbindung mit der Probenflüssigkeit eine chemische Reaktion bewirkt. Beispielsweise kann das Reagenz ein Elutions-, Wasch-, Binde- oder/und Lysepuffer sein. Unter einer Filtereinrichtung kann etwa eine Einrichtung zum Erzeugen eines Gemischs aus der Probenflüssigkeit und des Reagenzes sowie zum Extrahieren der Substanz aus dem Gemisch verstanden werden. Unter einem Auffangbehälter kann ein Mikroreaktionsgefäß, insbesondere ein Probenauffanggefäß (z.B. PCR-Röhrchen bzw. „Eppi“), verstanden werden. Der Auffangbehälter kann beispielsweise manuell in die Halteeinrichtung einlegbar, insbesondere einklickbar, sein. Unter einer Schnittstelle kann ein Druckanschluss zum Anschließen des Drucksteuergeräts an die Aufreinigungseinheit verstanden werden. Beispielsweise kann die Schnittstelle ausgeformt sein, um bereits beim Einlegen der Aufreinigungseinheit in das Drucksteuergerät mit einem Druckanschluss des Drucksteuergeräts pneumatisch gekoppelt zu werden. Unter einem pneumatischen Druck kann ein Über- oder Unterdruck, d. h. ein positiver oder negativer Relativdruck gegenüber einem Atmosphärendruck, oder der Atmosphärendruck verstanden werden. Das Drucksteuergerät kann ausgebildet sein, um den pneumatischen Druck zu erzeugen und diesen über die Schnittstelle an die Aufreinigungseinheit weiterzugeben. Hierbei können unterschiedliche Ventile als auch Pumpkammern pneumatisch über eine separate Pneumatik-Lage und einer flexiblen Membran angesteuert werden. Dies erfolgt dann beispielsweise in der Form, dass durch eine Beaufschlagung dieser Pneumatik-Lage des Lagenverbunds ein Niederdrücken dieser Lage in den Bereich der entsprechenden (beispielsweise Reagenz- oder Proben-Kammer oder das (beispielsweise Reagenz- oder Proben-)Ventil erfolgt, sodass das Volumen in der Kammer verkleinert wird (und hierdurch das in der Kammer befindliche Fluid ausgefördert wird) oder dass der Durchgangsquerschnitt in einem Kanal unter der Pneumatik-Lage im Bereich des betreffenden Ventils nach dem Beaufschlagen der Pneumatik-Lage mit der Druckluft verkleinert wird und hierdurch dieser Kanal als Ventil versperrt wird.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine druckgesteuerte Lab-on-a-Chip-Kartusche zum Aufreinigen biochemischer Substanzen eine Halterung für ein auswechselbares Mikroreaktionsgefäß aufweisen kann. Vorteilhafterweise kann das in der Kartusche gehaltene Mikroreaktionsgefäß bereits während eines Aufreinigungsprozesses mit den aufgereinigten Substanzen befüllt werden. So können die Substanzen durch einfaches Entnehmen des Mikroreaktionsgefäßes nach Beendigung des Aufreinigungsprozesses direkt weiterverarbeitet werden. Ein manuelles Umfüllen kann somit entfallen. Dadurch können Kontaminationen der aufgereinigten Substanzen vermieden werden. Auch der Anwender wird durch das komplett geschlossene und automatisierte System vor gefährlichen Stoffen geschützt.
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Ein Lab-on-a-Chip-System besteht typischerweise aus zwei Hauptkomponenten: zum einen aus einem Testträger oder einer Einwegkartusche mit Strukturen und Mechanismen zur Umsetzung fluidischer Grundoperationen wie etwa Mischer, die aus passiven Komponenten wie Kanälen, Reaktionskammern, vorgelagerten Reagenzien oder auch aktiven Komponenten wie Ventilen oder Pumpen bestehen können; zum anderen aus Aktuations-, Detektions- und Steuereinheiten. Ein solches System ermöglicht es beispielsweise, biochemische Prozesse vollautomatisch durchzuführen.
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Auch sind druckgesteuerte Systeme bekannt, die eine Kanalstruktur mit Ventilen und Pumpen zum Flüssigkeitstransport aufweisen. Solche Funktionselemente können beispielsweise mithilfe zweier Polymersubstrate, die durch eine flexible Polymermembran getrennt sind, realisiert sein. Beispielsweise kann die Polymermembran durch pneumatische Drücke ausgelenkt werden, um Flüssigkeiten innerhalb des Systems zu verschieben oder einen Kanal zu verschließen. Dazu können sowohl positive als auch negative Relativdrücke in einer externen Ansteuerungseinheit erzeugt werden und an das System weitergegeben werden. Ein zugehöriges Ansteuergerät kann beispielsweise Unterdruck, Überdruck und Atmosphäre an eine pneumatische Schnittstelle zur Verfügung stellen. Ein solches Ansteuerungsgerät bietet den Vorteil eines geringen Platzbedarfs.
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Ferner lassen sich in einer druckgesteuerten Kartusche zusätzliche Funktionen, etwa ein beheizter Aufreinigungsfilter oder verschiedene Kammern, mit verhältnismäßig geringem Fertigungsaufwand realisieren. Beispielsweise können erforderliche Volumina im Inneren der Kartusche über eine Dicke der Kartusche ohne schwerwiegende Designänderungen variiert werden. Auch komplexe biochemische Funktionen wie Polymerasekettenreaktion (PCR) und Detektionsverfahren, z. B. eine optische Auslesung nach einer Hybridisierungsreaktion, nach einer Polymerasekettenreaktion oder nach Enzym- oder Immunassays, lassen sich relativ einfach und kostengünstig in die Kartusche integrieren.
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Eine Aufreinigungseinheit gemäß den Merkmalen des hier beschriebenen Ansatzes hat also den Vorteil, dass die Aufreinigung voll automatisiert durchgeführt werden kann, wodurch die Bearbeitungszeit bei der Aufreinigung im Vergleich zu manuellen Prozessabläufen deutlich reduziert werden kann. Durch die Verwendung auswechselbarer Auffangbehälter, insbesondere von Eppis, können zudem Handlingfehler vermieden werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Aufreinigungseinheit mithilfe eines einfachen und kostengünstigen Ansteuergeräts betrieben werden kann. Je nach Ausführungsform lässt sich das Ansteuergerät nicht nur für die DNA-Aufreinigung, sondern beispielsweise auch für die Durchführung einer vollen diagnostischen Prozesskette mit Amplifikation etc. verwenden.
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Gemäß einer weiter unten beschriebenen Ausführungsform kann die Aufreinigungseinheit beispielsweise auch zur parallelen Aufreinigung von Nukleinsäuren, insbesondere von DNA, eingesetzt werden.
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Die Aufreinigungseinheit kann mit zumindest einer Probenpumpkammer vorgesehen sein, die mit dem Probenkanal verbunden oder verbindbar und über die Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck beaufschlagbar sein kann, um die Probenflüssigkeit durch den Probenkanal zu pumpen. Zusätzlich oder alternativ kann der Probenkanal zumindest eine Verschlusseinheit zum Verschließen des Probenkanals, etwa eine Siphonstruktur oder ein Normallyclosed-Ventil, aufweisen. Eine solche Probenpumpkammer ist einfach zu realisieren und ermöglicht eine genaue Dosierung der Probenflüssigkeit.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Filtereinrichtung zumindest eine Mischkammer zum Mischen der Probenflüssigkeit und des Reagenzes und einen Filter zum Ausfiltern der Substanz aufweist. Die Mischkammer kann über den Reagenzkanal mit der Reagenzkammer und über den Probenkanal mit der Probenkammer verbunden oder verbindbar sein. Der Filter kann über einen Ablaufkanal mit der Mischkammer und dem Ablauf verbunden oder verbindbar sein. Insbesondere kann der Ablaufkanal zumindest ein zwischen dem Filter und dem Ablauf angeordnetes Ablaufventil aufweisen. Eine solche Filtereinrichtung bietet den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus und einer zuverlässigen Funktion.
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Besonders günstig ist es, wenn die Probenpumpkammer über einen Steuerkanal mit einem zwischen der Mischkammer und dem Filter befindlichen Abschnitt des Ablaufkanals verbunden oder verbindbar ist. Insbesondere kann der Steuerkanal zumindest ein erstes Steuerventil aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Probenkanal zumindest ein zwischen der Mischkammer und der Probenpumpkammer angeordnetes zweites Steuerventil zum Steuern eines Mischkreislaufs aufweisen. Unter einem Mischkreislauf kann beispielsweise ein Rundpumpen der Probenflüssigkeit und des Reagenzes durch die Mischkammer, den Steuerkanal und den Probenkanal verstanden werden. Dadurch können die Probenflüssigkeit und das Reagenz gründlich miteinander vermischt werden.
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Des Weiteren kann die Aufreinigungseinheit zumindest einen Abfallbehälter aufweisen, der über einen Abfallkanal mit einem zwischen dem Filter und dem Ablauf befindlichen Abschnitt des Ablaufkanals verbunden oder verbindbar sein kann. Insbesondere kann der Abfallkanal zumindest ein Abfallventil aufweisen und, zusätzlich oder alternativ, zwischen dem Filter und dem Ablaufventil in den Ablaufkanal münden. Durch einen derart mit der Filtereinrichtung gekoppelten Abfallbehälter kann verhindert werden, dass der unter dem Ablauf platzierte Auffangbehälter mit Abfallprodukten verunreinigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Aufreinigungseinheit zumindest eine Reagenzpumpkammer auf, die mit dem Reagenzkanal verbunden oder verbindbar und über die Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck beaufschlagbar sein kann, um das Reagenz durch den Reagenzkanal zu pumpen. Insbesondere kann der Reagenzkanal zumindest ein zwischen der Reagenzkammer und der Reagenzpumpkammer angeordnetes Reagenzkammerventil und, zusätzlich oder alternativ, ein zwischen der Mischkammer und der Reagenzpumpkammer angeordnetes Mischkammerventil aufweisen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine genaue Dosierung des Reagenzes beim Transport in die Filtereinrichtung.
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Die Aufreinigungseinheit kann zumindest eine weitere Reagenzkammer zum Aufnehmen eines weiteren Reagenzes aufweisen. Die Filtereinrichtung kann über den Reagenzkanal mit der weiteren Reagenzkammer verbunden oder verbindbar sein, um die Substanz unter Verwendung des weiteren Reagenzes aus der Probenflüssigkeit auszufiltern. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass je nach Art der aus der Probenflüssigkeit zu extrahierenden Substanz nacheinander unterschiedliche Reagenzien in die Filtereinrichtung eingeleitet werden können, um die Aufreinigung durchzuführen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der die Aufreinigungseinheit zumindest eine weitere Probenkammer zum Aufnehmen einer weiteren Probenflüssigkeit, eine über den Reagenzkanal mit der Reagenzkammer und über einen weiteren Probenkanal mit der weiteren Probenkammer verbundene oder verbindbare weitere Filtereinrichtung zum Ausfiltern zumindest einer Substanz aus der weiteren Probenflüssigkeit unter Verwendung des Reagenzes und eine weitere Halteeinrichtung zum Anordnen und/oder Halten eines auswechselbaren weiteren Auffangbehälters unter einem Ablauf der weiteren Filtereinrichtung aufweist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine parallelisierte Aufreinigung von Substanzen aus unterschiedlichen Probenflüssigkeiten.
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Hierbei kann die weitere Filtereinrichtung über den Reagenzkanal mit der weiteren Reagenzkammer verbunden oder verbindbar sein kann, um die Substanz unter Verwendung des weiteren Reagenzes aus der weiteren Probenflüssigkeit auszufiltern. Dadurch können parallele Aufreinigungen mit mehreren Teilreaktionen ohne manuelle Zwischenschritte durchgeführt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem eine Aufreinigungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
zumindest einer Aufreinigungseinheit gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen; und
einem Drucksteuergerät, das mit der Schnittstelle der Aufreinigungseinheit verbunden ist, um einen Flüssigkeitstransport innerhalb der Aufreinigungseinheit durch Beaufschlagen der Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck zu steuern.
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Weiterhin schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
Beaufschlagen der Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck mittels des Drucksteuergeräts, um die Substanz aus der Probenflüssigkeit unter Verwendung des Reagenzes auszufiltern, wobei die Substanz von dem Auffangbehälter aufgefangen wird.
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Beispielsweise kann die Schnittstelle im Schritt des Beaufschlagens nacheinander mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden, um einen Flüssigkeitstransport in unterschiedliche Fließrichtungen innerhalb der Aufreinigungsvorrichtung zu bewirken.
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Bevor die Substanz aus der Filtereinrichtung ausgeleitet wird, kann der Auffangbehälter manuell in der Halteeinrichtung platziert und befestigt werden. Alternativ kann die Aufreinigungseinheit mit dem Auffangbehälter vorbestückt sein. Nach dem Befüllen des Auffangbehälters kann der Auffangbehälter entnommen werden. Die darin befindliche Substanz kann beispielsweise in einem nachfolgenden Analyseverfahren, das örtlich getrennt von einem mittels der Aufreinigungseinheit durchgeführten Aufreinigungsverfahren durchgeführt werden kann, weiter untersucht werden.
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Schließlich schafft der hier vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit zum Aufreinigen zumindest einer Substanz aus einer Probenflüssigkeit, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
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Bilden eines Lagenverbunds, insbesondere eines Polymerlagenverbunds, mit einer Probenkammer zum Aufnehmen der Probenflüssigkeit, einer Reagenzkammer zum Aufnehmen eines Reagenzes, einer über einen Reagenzkanal mit der Reagenzkammer und über einen Probenkanal mit der Probenkammer verbundenen oder verbindbaren Filtereinrichtung zum Ausfiltern der Substanz aus der Probenflüssigkeit unter Verwendung des Reagenzes, einer Halteeinrichtung zum Anordnen und/oder Halten eines auswechselbaren Auffangbehälters unter einem Ablauf der Filtereinrichtung, um die Substanz aufzufangen, und einer Schnittstelle zu einem Drucksteuergerät zum Steuern eines Flüssigkeitstransports innerhalb der Aufreinigungseinheit durch Beaufschlagen der Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck.
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Durch ein solches Verfahren kann die Aufreinigungseinheit besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Aufreinigungseinheit mit mehreren Proben- und Reagenzkammern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Aufreinigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufreinigungseinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Aufreinigungseinheit 100 weist eine Reagenzkammer 102, eine Probenkammer 104 sowie eine Filtereinrichtung 106 auf. Die Filtereinrichtung 106 ist über einen Reagenzkanal 108 mit der Reagenzkammer 102 und über einen Probenkanal 110 mit der Probenkammer 104 fluidisch gekoppelt. Unterhalb eines Ablaufs 112 der Filtereinrichtung 106 befindet sich ein Auffangbehälter 114, der von einer Halteeinrichtung 116 derart gehalten wird, dass eine Öffnung des Auffangbehälters 114 dem Ablauf 112 gegenüberliegt. Je nach Ausführungsform kann der Auffangbehälter 114 in die Halteeinrichtung 116 eingelegt, eingehängt oder eingeklickt sein.
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Die Aufreinigungseinheit 100 ist ferner mit einer Schnittstelle 118 ausgebildet, die mit einem Drucksteuergerät zum Erzeugen eines pneumatischen Drucks pneumatisch koppelbar ist. Über die Schnittstelle 118 kann der pneumatische Druck durch die Aufreinigungseinheit 100 geleitet werden, um Flüssigkeiten innerhalb der Aufreinigungseinheit 100 zu transportieren. Dieses Transportieren der Flüssigkeit kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Pneumatik-Lage des Lagenverbundes der Aufreinigungseinheit 100 mit einem pneumatischen Druck beaufschlagt wird und hierdurch niedergedrückt wird. Dieses Niederdrücken bewirkt, dass das Volumen in der unter dem niedergedrückten Bereich der Pneumatik-Lage befindlichen Kammer verkleinert wird, sodass die Flüssigkeit in dieser Kammer dann ausgefördert wird. Ist unter dem niedergedrückten Bereich der Pneumatik-Lage ein Kanal angeordnet, kann dieser Bereich als Ventil verwendet werden, da durch den niedergedrückten Teil der Pneumatik-Lage der Kanal dann verschlossen oder der Durchgang erheblich beeinträchtigt ist.
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Die Schnittstelle 118 kann derart mit dem pneumatischen Druck beaufschlagt werden, dass ein in der Reagenzkammer 102 befindliches Reagenz 120 durch den Reagenzkanal 108 in die Filtereinrichtung 106 gepumpt wird und eine in der Probenkammer 104 befindliche Probenflüssigkeit 122 durch den Probenkanal 110 in die Filtereinrichtung 106 gepumpt wird. Die Filtereinrichtung 106 dient beispielsweise dazu, ein Gemisch aus den beiden Flüssigkeiten 120, 122 zu bilden und aus diesem Gemisch eine Substanz 124 zu extrahieren, die über den Ablauf 112 in den Auffangbehälter 114 geleitet und dort gesammelt wird. Der zum Aufreinigen der Substanz 124 in der Filtereinrichtung 106 durchgeführte Aufreinigungsprozess ist über die Schnittstelle 118 pneumatisch steuerbar.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufreinigungseinheit 100 mit mehreren Proben- und Reagenzkammern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Aufreinigungseinheit 100 handelt es sich beispielsweise um eine anhand von 1 beschriebene Aufreinigungseinheit. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Filtereinrichtung 106 eine Mischkammer 200 und einen Filter 202 auf, der über einen Ablaufkanal 204 mit der Mischkammer 200 und dem Ablauf 112 fluidisch verbunden ist. Der Ablaufkanal 204 kann zumindest teilweise in einer zweiten Ebene der Aufreinigungseinheit 100 ausgeformt sein. Eine über die Schnittstelle 118 mit einem pneumatischen Druck beaufschlagbare Reagenzpumpkammer 206 ist über den Reagenzkanal 108 sowohl mit der Reagenzkammer 102 als auch mit der Mischkammer 200 fluidisch verbunden. Mittels der Reagenzpumpkammer 206 kann das Reagenz durch den Reagenzkanal 108 in die Mischkammer 200 gepumpt werden. Zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms zwischen der Reagenzkammer 102 und der Reagenzpumpkammer 206 weist ein zwischen der Reagenzkammer 102 und der Reagenzpumpkammer 206 verlaufender Teilabschnitt des Reagenzkanals 108 ein Reagenzkammerventil 208 auf. Zudem ist in einem die Reagenzpumpkammer 206 mit der Mischkammer 202 verbindenden Teilabschnitt des Reagenzkanals 108 ein Mischkammerventil 210 angeordnet, das zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms zwischen der Reagenzpumpkammer 206 und der Mischkammer 200 dient.
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Der Probenkanal 110 ist mit einer über die Schnittstelle 118 mit einem pneumatischen Druck beaufschlagbaren Probenpumpkammer 212 fluidisch verbunden. Die Probenpumpkammer 212 ist ferner über einen Steuerkanal 216 mit einem die Mischkammer 200 mit dem Filter 202 verbindenden Teilabschnitt des Ablaufkanals 202 fluidisch verbunden. In dem Steuerkanal 216 ist ein erstes Steuerventil 218 zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms zwischen dem Ablaufkanal 204 und der Probenpumpkammer 212 angeordnet. Ebenso ist ein zwischen der Probenpumpkammer 212 und der Probenkammer 104 befindlicher Teilabschnitt des Probenkanals 110 über ein zweites Steuerventil 220 mit der Mischkammer 200 verbunden. Das zweite Steuerventil 220 dient zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms zwischen der Mischkammer 200 und der Probenpumpkammer 212 bzw. der Probenkammer 104. Die Probenpumpkammer 212 dient zum einen zum Pumpen der Probenflüssigkeit in die Mischkammer 200. Zum anderen kann die Probenpumpkammer 212 dazu genutzt werden, um in der Mischkammer 200 befindliche Flüssigkeiten, etwa das Reagenz und die Probenflüssigkeit, über den Probenkanal 110 und den Steuerkanal 216 im Kreis zu pumpen, um die Flüssigkeiten miteinander zu vermischen. Anschließend kann das Gemisch über den Filter 202 geleitet werden, um die Substanz aus dem Gemisch auszufiltern.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Probenkanal 110 zwischen dem zweiten Steuerventil 220 und der Probenkammer 104 zusätzlich eine Verschlusseinheit 222 auf, beispielsweise ein Normally-closed-Ventil oder eine Siphonstruktur.
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Unterhalb des Auffangbehälters 114, hier eines in die Halteeinrichtung 116 eingeklickten Eppis, befindet sich ein Abfallbehälter 224, der über einen Abfallkanal 226 in einen den Filter 202 mit dem Ablauf 112 verbindenden Teilabschnitt des Ablaufkanals 204 mündet. Ein Flüssigkeitsstrom durch den Abfallkanal 220 ist mittels eines Abfallventils 228 steuerbar. Zwischen dem Ablauf 112 und einem Verbindungspunkt zwischen Abfallkanal 226 und Ablaufkanal 204 weist der Ablaufkanal 204 ein Ablaufventil 230 auf, das ausgebildet ist, um einen Flüssigkeitsstrom zwischen dem Filter 202 und dem Ablauf 112 zu steuern.
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Zusätzlich zur Reagenzkammer 102 ist die Aufreinigungseinheit beispielhaft mit vier weiteren Reagenzkammern 232, 234, 236, 238 zum Vorlagern weiterer Reagenzien ausgeführt. Je nach Ausführungsform kann in der Reagenzkammer 102 ein Elutionspuffer, in der weiteren Reagenzkammer 232 ein Waschpuffer 2, in der weiteren Reagenzkammer 234 ein Waschpuffer 1, in der weiteren Reagenzkammer 236 ein Bindepuffer und in der weiteren Reagenzkammer 238 ein Lysepuffer mit Enzymen vorgelagert sein.
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Die weiteren Reagenzkammern sind über den Reagenzkanal 108 mit der Reagenzpumpkammer 206 fluidisch verbunden. Genauer gesagt sind die weiteren Reagenzkammern über je einen Teilast mit einem Hauptast des Reagenzkanals 108 verbunden. In den Teilästen sind weitere Reagenzkammerventile 240, 242, 244, 246 zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms zwischen den weiteren Reagenzkammern und dem Hauptast des Reagenzkanals 108 angeordnet.
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Gemäß 2 weist die Aufreinigungseinheit 100 eine weitere Probenkammer 248 zum Aufnehmen einer weiteren Probenflüssigkeit auf. Die weitere Probenkammer 248 ist über einen weiteren Probenkanal 250 mit einer weiteren Filtereinrichtung 252 fluidisch verbunden. Die weitere Filtereinrichtung 252 entspricht beispielsweise der weiter oben anhand von 2 beschriebenen Filtereinrichtung 106. Eine Mischkammer der weiteren Filtereinrichtung 252 ist über den Reagenzkanal 108 fluidisch mit der Reagenzpumpkammer 206 verbunden, sodass die in den Reagenzkammern 102 bis 238 befindlichen Reagenzien mittels der Reagenzpumpkammer 206 bei Bedarf auch in die Mischkammer der weiteren Filtereinrichtung 252 gepumpt werden können.
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Unterhalb eines Ablaufs 254 der weiteren Filtereinrichtung 252 befindet sich ein weiterer Auffangbehälter 256, hier ebenfalls ein Eppi, der von einer weiteren Halteeinrichtung 258 derart gehalten wird, dass eine Öffnung des weiteren Auffangbehälters 256 dem Ablauf 254 gegenüberliegt, sodass eine mittels der weiteren Filtereinrichtung 2250 unter Verwendung eines oder mehrerer Reagenzien aus der weiteren Probenflüssigkeit aufgereinigten Substanz beim Ausleiten aus der Filtereinrichtung 252 von dem weiteren Auffangbehälter 256 aufgefangen wird.
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Wie in 2 zu erkennen, können ein durch die Probenkammer 104, die Filtereinrichtung 106 und die Halteeinrichtung 116 gebildeter erster Aufreinigungsstrang 260 und ein durch die weitere Probenkammer 248, die weitere Filtereinrichtung 252 und die weitere Halteeinrichtung 258 gebildeter zweiter Aufreinigungsstrang 262 im Wesentlichen baugleich ausgeführt sein.
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In 2 sind zusätzlich zu den beiden Aufreinigungssträngen 260, 262 beispielhaft ein dritter Aufreinigungsstrang 264 mit einer weiteren Probenkammer 266, einer weiteren Filtereinrichtung 268, einer weiteren Halteeinrichtung 270 und einem weiteren Auffangbehälter 272 sowie ein vierter Aufreinigungsstrang 274 mit einer weiteren Probenkammer 276, einer weiteren Filtereinrichtung 278, einer weiteren Halteeinrichtung 280 und einem weiteren Auffangbehälter 282 dargestellt. Die Aufreinigungsstränge 264, 274 können identisch zum zweiten Aufreinigungsstrang 262 aufbebaut sein, wobei die jeweiligen Mischkammern der weiteren Filtereinrichtungen 252, 268, 278 über den Reagenzkanal 108 mit der Reagenzpumpkammer 206 fluidisch gekoppelt sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel dient die in 2 gezeigte schematische Draufsicht eines beispielhaften Lab-on-a-Chip-Designs zur parallelen Aufreinigung mehrerer, unterschiedlicher Proben, hier beispielhaft von vier Proben. Dazu enthält die Aufreinigungseinheit 100, beispielsweise eine Kartusche, fünf gemeinsame Reagenzienvorlagerungskammern 102, 232, 234, 236, 238 mit der Reagenzpumpkammer 206, ein Abfallreservoir 224 und vier Probeneingabekammern 104, 248, 266, 276 mit den dazugehörigen Probenpumpkammern 212, Mischkammern 200, Filter 202, etwa Silikafilter, und einklickbare Eppis als Auffangbehälter 114, 256, 272, 282.
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Je nach Ausführungsform kann die Aufreinigungseinheit 100 mehr oder weniger als fünf Reservoire zur Vorlagerung von Reagenzien in flüssiger Form aufweisen. Die Reagenzien können in Stickpacks oder Blistern verpackt sein.
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Die vier verschiedenen Proben können in flüssiger Form in die vier Probenkammern 104 bis 276 eingegeben werden. Die Größe der Kammern kann je nach eingesetzter Flüssigkeitsmenge variieren. Beispielsweise kann die Größe zwischen 100 µl und 5 ml, insbesondere bei ca. 500 µl liegen. Das Volumen kann durch Variation der Kartuschendicke angepasst werden.
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Des Weiteren umfasst die Aufreinigungseinheit 100 ein fluidisches Netzwerk aus Kanälen, Ventilen und aktiven Pumpkammern, um die Reagenzien in die Mischkammern 200 zu transportieren und zu mischen, über die Filter 202 zu leiten und schließlich in den einklickbaren Mikroreaktionsgefäßen 114 aufzufangen. Zur Bindung von DNA können beispielsweise Silikafilter als Filter 202 verwendet werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufreinigungsvorrichtung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Aufreinigungsvorrichtung 300 umfasst ein Drucksteuergerät 302 und eine Aufreinigungseinheit 100, beispielsweise eine Aufreinigungseinheit, wie sie vorangehend anhand der 1 und 2 beschrieben ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufreinigungseinheit 100 derart in das Drucksteuergerät 302 eingelegt, dass die Schnittstelle 118 mit einem Druckanschluss 304 des Drucksteuergeräts 302 pneumatisch gekoppelt ist. Das Drucksteuergerät 302 ist ausgebildet, um die Schnittstelle 118 mit den zum Transportieren von Flüssigkeiten in der Aufreinigungseinheit 100 erforderlichen pneumatischen Drücken zu beaufschlagen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Drucksteuergerät 302 ausgebildet, um drei unterschiedliche Druckniveaus einzustellen, die beispielsweise zur Ansteuerung einer mittels der Aufreinigungseinheit 100 durchführbaren DNA-Aufreinigung dienen können. Dies hat den Vorteil, dass das Drucksteuergerät 302 besonders kostengünstig ausgeführt werden kann, da zusätzliche Funktionen wie etwa eine Temperaturregelung oder eine optische Auswerteeinheit entfallen können.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 400 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen Aufreinigungseinheit durchgeführt werden. Das Verfahren 400 umfasst einen Schritt 401, in dem die Schnittstelle der Aufreinigungseinheit mittels des Drucksteuergeräts mit einem pneumatischen Druck beaufschlagt wird, um die Substanz aus der Probenflüssigkeit unter Verwendung des Reagenzes auszufiltern. Die Substanz wird dabei von dem durch die Halteeinrichtung gehaltenen Auffangbehälter aufgefangen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 400 zur Durchführung eines DNA-Aufreinigungsprozesses in der Aufreinigungseinheit verwendet werden. Ein solcher DNA-Aufreinigungsprozess kann aus folgenden Schritten bestehen.
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In einem ersten Schritt wird eine flüssige Probe in die Probenkammer eingegeben, wobei die zur Aufreinigung erforderlichen Reagenzien in den entsprechenden Reagenzkammern der Aufreinigungseinheit vorgelagert sein können. Die Aufreinigungseinheit wird hierauf verschlossen und in ein entsprechendes Ansteuergerät, etwa ein weiter oben beschriebenes Drucksteuergerät, eingelegt.
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In einem zweiten Schritt werden die Reagenzienbehälter, auch Reagenzkammern genannt, geöffnet.
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In einem dritten Schritt wird ein Bindepuffer zur Mischkammer transportiert. Eine Menge des Bindepuffers kann so eingestellt werden, dass geeignete Bindebedingungen zur Anbindung von DNA auf dem Silikafilter herrschen.
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In einem vierten Schritt wird die Probe aus der Probenkammer in die Mischkammer transportiert.
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In einem fünften Schritt wird die Gesamtmenge aus Probe und Bindepuffer durch Rundpumpen in einem Mischloop gemischt.
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In einem sechsten Schritt wird der Inhalt der Mischkammer über den Silikafilter transportiert. Zwischen einzelnen Pumphüben kann eine Verweilzeit eingefügt werden. Die Verweilzeit kann einer zur Bindung der DNA am Silikafilter erforderlichen Bindezeit entsprechen. Die DNA wird dabei auf dem integrierten Filter gebunden.
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In einem siebten Schritt wird ein erster Waschpuffer über den Silikafilter transportiert. Dadurch wird die DNA von Verunreinigungen wie beispielsweise Proteinen befreit. Währenddessen bleibt die DNA auf dem integrierten Filter gebunden. Eine durch den Filter geleitete Flüssigkeit wird in einer Abfallkammer, weiter oben auch Abfallbehälter genannt, aufgefangen.
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In einem achten Schritt wird ein zweiter Waschpuffer über den Silikafilter transportiert. Es erfolgt ein weiterer Reinigungsschritt, in dem die DNA erneut von Verunreinigungen befreit wird, während sie auf dem Filter gebunden bleibt. Wiederum wird dabei eine durch den Filter geleitete Flüssigkeit in der Abfallkammer aufgefangen.
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In einem neunten Schritt wird ein Elutionspuffer über den Silikafilter transportiert. Durch den Elutionspuffer wird die DNA vom Silikafilter abgelöst und in Eppis, die in die Aufreinigungseinheit eingeklickt sind, aufgefangen.
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In einem zehnten Schritt werden die Eppis mit der aufgereinigten Probe entnommen.
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Die Schritte drei bis neun können Teilschritte des Schritts 401 sein und durch Beaufschlagen der Schnittstelle der Aufreinigungseinheit mit entsprechenden pneumatischen Drücken durchgeführt werden.
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Optional kann in jeden Aufreinigungsstrang eine weitere Pumpkammer eingefügt werden, um ein mehrfaches Eluieren über die Filter durch Hin- und Herpumpen zu ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Filter und die Mischkammern während des Aufreinigungsprozesses beheizt werden, um die Aufreinigungseffizienz zu erhöhen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 kann beispielsweise durchgeführt werden, um eine vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebene Aufreinigungseinheit herzustellen. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt 501 des Bildens eines Lagenverbunds, insbesondere eines Polymerlagenverbunds, mit einer Probenkammer zum Aufnehmen der Probenflüssigkeit, einer Reagenzkammer zum Aufnehmen eines Reagenzes, einer über einen Reagenzkanal mit der Reagenzkammer und über einen Probenkanal mit der Probenkammer verbundenen oder verbindbaren Filtereinrichtung zum Ausfiltern der Substanz aus der Probenflüssigkeit unter Verwendung des Reagenzes, einer Halteeinrichtung zum Anordnen und/oder Halten eines auswechselbaren Auffangbehälters unter einem Ablauf der Filtereinrichtung, um die Substanz aufzufangen, und einer Schnittstelle zu einem Drucksteuergerät zum Steuern eines Flüssigkeitstransports innerhalb der Aufreinigungseinheit durch Beaufschlagen der Schnittstelle mit einem pneumatischen Druck. Mithilfe dieses pneumatischen Drucks kann dann ein Teil des Lagenverbundes, insbesondere eine Pneumatik-Lage in die (beispielsweise Reagenz- oder Proben-)Kammer oder den (beispielsweise Reagenz- oder Proben-)Kanal der Aufreinigungseinheit niedergedrückt werden, wodurch ein Ausfördern des in dieser Kammer befindlichen Fluids oder einer sich in dieser Kammer befindlichen Flüssigkeit aus der Kammer bewirkt wird. Denkbar ist jedoch auch durch das Niederdrücken der Pneumatik-Lage des Lagenverbundes ein Versperren eines Kanals oder das Reduzieren des Kanalquerschnitts, um einen Durchtritt von Flüssigkeit durch diesen Kanal zu verhindern, vermindern oder zumindest zu erschweren.
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6 zeigt eine Vorrichtung 600 zum Betreiben einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 600 umfasst eine Einheit 601, die ausgebildet ist, um ein Signal zum Beaufschlagen der Schnittstelle der Aufreinigungseinheit mit einem pneumatischen Druck bereitzustellen. Die Vorrichtung 600 kann beispielsweise zur Ansteuerung eines weiter oben beschriebenen Drucksteuergeräts dienen. Hierbei kann die Vorrichtung 600 je nach Ausführungsform als Komponente des Drucksteuergeräts oder als externe Einheit realisiert sein.
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7 zeigt eine Vorrichtung 700 zum Herstellen einer Aufreinigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 700 weist eine Einheit 701 auf, die beispielsweise zur Ansteuerung, Durchführung und/oder Umsetzung eines Herstellungsschritts in einem anhand von 5 beschriebenen Verfahren dient.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
