DE19521947C1 - Wasserbadschüttler zur Durchführung chemischer oder biochemischer Untersuchungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserbadschüttler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie ermöglicht insbesondere die Durchführung immunochemischer, gentechnologischer, molekularbiologischer, chemischer bzw. biochemischer Untersuchungen, wobei die Proben mittels eines geregelten Hybridisierungs-Inkubations-Schüttelwasserbades auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden.

Für die Durchführung chemischer und biochemischer Reaktionen, Hybri­ disierungen, Fermentationen usw. sind Schüttelwasserbäder bekannt, bei denen die Wassertemperatur auf einstellbare Werte geregelt wird. Die Proben werden mit Hilfe von Einsatzgestellen für Reagenzgläser oder Tablaren mit Klammern für Kolben und Flaschen in das Wasserbad eingesetzt, das durch die Schüttelbewegungen und eine Regeleinrichtung eine gleichmäßige Temperatur erhält. Wenn die Einhaltung einer be­ stimmten Temperatur besonders kritisch ist, wird die Temperatur elek­ tronisch geregelt.

Bekannte Einrichtungen dieser Art haben unter anderem den Nachteil, daß in dem Bad nur eine einzige Temperatur einstellbar ist. Sollen mehrere Reaktionen bei verschiedenen Temperaturen gleichzeitig durch­ geführt werden, erfordert dies mehrere Schüttelwasserbäder und damit einen ganz erheblichen Aufwand und Raumbedarf, da ein solches Was­ serbad eine Fläche von etwa 1/3 m² einnimmt.

Ein Beispiel für die gleichzeitige Abwicklung mehrerer Reaktionen ist ein diagnostisches Nachweisverfahren, in welchem amplifiziertes DNA- oder RNA-Material an/auf Nitrozellulose-Membran-Streifen markierte Oligo­ nukleotide hybridisiert wird (sogenannte reverse Dot-Blot-Technik). Hier­ bei werden sehr genaue konstante Reaktionstemperaturen von z. B. 42°, 45°, 47°, 55°, 56° oder 63°C über einen ganz bestimmten Zeitraum benötigt. Das entsprechende Funktionsprinzip ist in Fig. 1 dargestellt.

Aus einem Prospekt der Firma Gesellschaft für Labortechnik mbH (GFL Swb 1292,32d) "Schüttelwasserbäder, Schüttelinkubatoren zum Schütteln und Temperieren mit hoher Konstanz" sind bereits Schüttelwasserbäder bekannt.

In der DE-OS 21 20 435 ist ein Schüttelwasserbad für einen Brutapparat beschrieben, das mehrere Gefäße aufweist. Schüttelwasserbäder mit mehreren Gefäßen im gleichen Bad zeigen auch die US 5,052,812 und ein Prospekt "Robotherm" der Firma Edmund Bühler (1992).

Diese bekannten Schüttelbäder entsprechen nicht den Bedürfnissen der heute üblichen gentechnologischen, immunochemischen oder molekularbio­ logischen Nachweisverfahren. Die geforderten temperierten Reaktions­ abläufe bei einer Hybridisierung bzw. Inkubation können nur von einer einzigen Heizquelle mit nur einer einzigen Temperatur für den gesamten übergroßen Wasserbehälter eingestellt werden. Reaktionsgefäße in immu­ nochemischen Nachweisverfahren oder in der Molekularbiologie und Gentechnologie, z. B. Mikrotiterplatten oder Inkubationswannen, können in dem vorgesehenen Wasserbehälter weder fixiert noch auf eine ganz bestimmte Wassereintauchtiefe gehalten werden.

Ferner ist es aus ROBBINS SCIENTIFIC, USA, Prospekt 5M/495 bekannt, zwei mal zwei flache Wasserwannen auf einem Schütteltisch anzuordnen. Jede Wasserwanne kann unabhängig voneinander temperiert werden. Dieses Schüttelwasserbad entspricht nicht den Bedürfnissen der heute üblichen gentechnologischen, immunochemischen oder molekularbio­ logischen Nachweisverfahren, da das Wasser bei den geforderten Tempe­ raturen verdunstet und das Dunstwasser in die Reaktionsgefäße fällt. Ferner tritt in dem kleinen Luftraum über der Wasseroberfläche erhöhte Luftfeuchtigkeit auf, so daß erhöhte Kontaminationsgefahr stattfindet und damit erhöhte Kreuzreaktivität besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wasserbadschüttler zur Durchführung chemischer oder biochemischer Untersuchungen der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, welcher sich für die gleichzeitige Durchführung unterschiedlicher Tests eignet, jedoch sowohl vom Raumbe­ darf als auch vom Aufwand her in der Größenordnung bekannter einzel­ ner Schüttelwasserbäder liegt.

Diese Aufgabe wird durch einen Wasserbadschüttler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die säulenförmigen Wasserbehälter ermöglichen eine wesentliche Her­ absetzung des Flächen- und Raumbedarfs, ohne daß die Wassermenge unvorteilhaft vermindert werden muß. Das Zahlenverhältnis von Quer­ schnittsfläche in cm² zur Höhe des Wasserbehälters in cm kann vorzugs­ weise im Bereich von 15 bis 25 liegen. Ein vorteilhafter Wert für dieses Verhältnis ist etwa 22. Es ist zweckmäßig, in jedem Wasserbehälter mit einer Wasserfüllung von etwa 3240 cm³ zu arbeiten, um die Aufrecht­ erhaltung der Regeltemperatur zu unterstützen. Typische Abmessungen der Wasserbehälter betragen 18 cm × 18 cm × 15 cm (Breite, Tiefe, Höhe).

Die Wasserbehälter können jeden beliebigen Querschnitt haben, z. B. rund oder quadratisch. Oft wird es zweckmäßig sein, den Querschnitt recht­ eckig zu wählen. Beispielsweise kann man solche Abmessungen vorsehen, daß als Probenträger gerade eine sog. Mikrotiterplatte in Längs- oder Querformat eingesetzt werden kann. Falls es zweckmäßig erscheint, z. B. um ausreichend Platz für die Heizeinrichtung zu haben, kann der untere Teil der Wasserbehälter z. B. auch pyramidenstumpfförmig oder kegel­ stumpfförmig ausgebildet sein.

In dem Schütteltisch ist an den Stellen, die für das Aufsetzen der Was­ serbehälter vorgesehen sind, jeweils eine wasserbehälterindividuelle Heiz­ einrichtung eingebaut, z. B. eine elektrische Heizspirale. Jeder Heizeinrich­ tung bzw. jedem Wasserbehälter ist zur Istwerterfassung für die elek­ tronische Temperaturregelung eine eigene Sonde zugeordnet, die in der Nachbarschaft des Probenträgers befestigt wird. Sie kann auch direkt an den Probenträger, z. B. einem Tablar, montiert sein. Auf diese Weise ist es möglich, in den einzelnen Wasserbehältern unabhängig voneinander verschiedene Temperaturen einzuregeln.

Der Probenträger wird in der oberen Hälfte des Wasserbehälters, z. B. auf einer Höhe im zweiten Viertel von oben gemessen, derart angeord­ net, daß über ihm ein ausreichender Luftraum verbleibt. Damit wird vorteilhafterweise eine zu hohe Luftfeuchtigkeit und damit die davon herrührende Gefahr der gegenseitigen Kontaminierung der Proben bei bestimmten Testprozeduren vermieden.

Weitere Eigenschaften und Vorteile des Wasserbadschüttlers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Darin zeigt

Fig. 1 schematisch das Funktionsprinzip reverse Hybridisierungstechnik DNA- und RNA-Amplifikate an Oligonukleotid-Sonden nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 schematisch einen Wasserbadschüttler;

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die Unterbringung der Teststreifen in einer Rillenplatte, die auf ein Tablar aufgesetzt ist;

Fig. 4 und 5 die Anordnung von Wasserbehältern auf dem Wasserbadschüttler;

Fig. 6 einen Deckel für einen Wasserbehälter; und

Fig. 7 ein Tablar mit Rillenplatten.

Wie Fig. 1 schematisch zeigt, werden durch Extraktion und Amplifikation nach bekannten Verfahren Amplifikate gewonnen. Spezifische Oligonu­ cleotide sind bandenförmig oder punktförmig auf Nitrocellulose-Streifen oder Membranen fixiert.

Die aufgetragenen Amplifikate reagieren bei ganz genauen und bestimm­ ten Temperaturen mit den für sie spezifischen Oligonucleotiden (Hybri­ disierung). Die Oligo-Allelspezifischen-Bindungen werden in einer chromo­ genen Reaktion nachgewiesen.

Zur Durchführung solcher Reaktionen sind die in Fig. 2 dargestellten Wasserbehälter 1, 2, 3 vorgesehen, die auf einem Schütteltisch 4 bekannter Funktion angeordnet werden können. Der Schütteltisch kann auch mehr als drei Wasserbehälter aufnehmen (Fig. 4, 5). Er wird in der Regel mit einer Frequenzregelung für die Schüttel­ frequenz versehen sein.

Auf der Oberfläche des Schütteltisches 4 sind, wie in den Fig. 4 und 5 beispielhaft dargestellt, pro Geräteeinheit z. B. vier Wasserbehälter 1, 2, 3 fixiert. Die Oberfläche schüttelt stufenlos in einer Schüttel­ frequenz 0-300 min^-1 in Hin- und Herbewegungen. Die Schüttelfrequenz ist einstellbar und wird digital angezeigt. Die Dauer der Schüttelfrequenz kann wahlweise zeitbegrenzt in Minuten 0 bis 60 Minuten oder auf Dauerbetrieb eingestellt werden.

Beispielhafte technische Daten des Schütteltisches 4 lauten:

Außenmaße: Länge 510 mm, Breite 510 mm, Höhe 177 mm
Bewegungstisch: Länge 450 mm, Breite 450 mm
Lastaufnahme: max. 15 kg
Bewegungsart: hin und her
Schüttelamplitude: 30 mm
Schüttelfrequenz: 0-300 min^-1.

Jeder Wasserbehälter ist mit einer Wasserfüllung von z. B. etwa 3240 cm³ gefüllt. Er hat z. B. einen rechteckigen Querschnitt von (18 cm × 18 cm =) 324 cm² bei einer Höhe von 15 cm. Er kann z. B. aus Glas oder Metall bestehen und in seinem unteren Bereich eine Wasserablaßvor­ richtung 26 aufweisen.

An jedem für einen Wasserbehälter vorgesehenen Platz ist eine Heiz­ einrichtung, z. B. eine elektrische Heizspirale 5, 6, 7 eingebaut, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Zur Temperaturregelung jedes einzelnen Wasserbehälters dient eine eigene elektronische Regeleinrich­ tung (nicht dargestellt) mit einem Temperatureinstellknopf 8, 9, 10 (Fig. 2, 4) zur Wahl verschiedener Temperaturen der einzelnen Wasser­ behälter unabhängig voneinander.

Für alle z. B. vier Wasserbehälter besteht folgende direkte und unabhängi­ ge Temperaturregelung: Die Temperatur wird, in einer Genauigkeit von ± 0,1°C, über Mikroprozessoren gesteuert. Die Nutzraumtemperatur des jeweiligen Wasserbehälters wird in einem Display 18 angezeigt.

Die Temperatureinstellung erfolgt wie nachfolgend beschrieben: Durch Drücken auf die Temperatureinstellungstaste 19 wird auf einem Display 18 (Fig. 4) des jeweiligen Wasserbehälters der Sollwert der Nutztempera­ tur angezeigt. Durch Drücken der Temperatureinstelltaste 19 und gleich­ zeitigem Drehen des Temperatureinstellknopfes 8 ist die gewünschte Nutzraumtemperatur für den jeweiligen Wasserbehälter einzustellen. Nach Loslassen des Temperatureinstellknopfes schaltet das Display 18 des eingestellten Wasserbehälters wieder auf die augenblickliche Nutzraum­ temperaturanzeige um. Die jeweilige Aufheizungsperiode zum Erreichen der Solltemperatur wird für jeden einzelnen Wasserbehälter durch eine Signallampe 20 (Fig. 4) angezeigt. Mit Einstellung des Sollwertes am Temperatureinstellknopf wird automatisch die Temperaturbegrenzung auf z. B. 2°C über dem Sollwert eingestellt. Bei Erhöhung der Temperatur über Sollwert schaltet sich die Heizung automatisch ab. Diese Störung wird über eine Signallampe am Display 18 angezeigt.

Die einzelnen Wasserbehälter sind unabhängig separat auf Nutzraumtem­ peraturen 25-99°C einstellbar. Die Nutzraumtemperatur wird über eine jeweilige Sonde 17 unter einem Tablar 11 (Fig. 2, 3, 6, 7) bzw. Podest fixiert, damit im Wasser eintauchend, über Mikroprozessoren gesteuert und konstant gehalten (± 0,1°C).

In jeden Wasserbehälter ist das Tablar 11, z. B. aus rostfreiem Chrom- Nickel-Stahl, auf Ständern 12 eingesetzt, die ggf. von einem weiteren Tablar 13 unten gehalten werden. Die Tablare 11, 13 sind mit einer Reihe von Bohrungen versehen, um den Durchtritt des Wassers zu ermöglichen. Die Länge der Ständer ist so gewählt, daß der Wasser­ spiegel etwa in einer Höhe im zweiten Viertel des Behälters, von oben gemessen, gerade über das Tablar 11 reicht und eine Rillenplatte 14 von unten umspült, in deren Rillen 15 Teststreifen 16 eingesetzt werden.

Beispielsweise ist auf vier bodenfixierten runden bleistiftstarken Chrom- Nickel-Stahl-Stäben ein über Gummimuffen 21 (Fig. 6, 7) höhenver­ schiebbares rostfreies Chrom-Nickel-Stahl-Blech fixiert, das das Tablar 11 bildet. Das Tablar als Träger der Reaktionsgefäße (z. B. Mikrotiterplatte horizontal bzw. vertikal fixiert) ist somit höhenverschiebbar und kann dem individuell gewünschten Wasserspiegel angepaßt werden.

Das Tablar 11 ist im Abstand von 130 mm mit 50 mm großen Löchern durchlöchert (Fig. 6, 7). Auf dieser durchlöcherten Platte sind zwei Paare von Rahmenhalterungswinkeln 22 im Abstand von ca. 13 cm für die Auf­ nahme jeweils einer Rillenplatte (Mikrotiterplatte) im Quer- bzw. Längs­ format aufgeschraubt. Die Maße eines Rahmenhalterungswinkels sind: Länge (vom Fußpunkt bis Fußpunkt der abgewinkelten Schenkel) 8,8 cm, Breite B (des auf der Rillenplatte aufliegenden Teils mit Öffnungen für Schrauben) 1,3 cm, Höhe 1,5 cm. Über Schrauben 23 im Abstand von 4,9 cm sind die Rahmenhalterungswinkel mit dem Tablar 11 verschraubt. Die verschraubbaren bzw. in anderer Weise lösbar befestigbaren Rahmen­ halterungswinkelpaare ermöglichen es, Rillenplatten (Mikrotiterplatten) beliebig auf dem Tablar anzuordnen. An der Unterseite des Tablars ist eine Temperatursonde 17 (Platin-Temperatursensor) angebracht (Fig. 2, 3).

Das Tablar 11 ist wie bereits beschrieben an vier Ständerstangen 12 befestigt, die an der Wasserbehälterplatte befestigt sind und z. B. 15 cm lang sind. Sie können z. B. in 5 cm Höhe durch nicht dargestellte Quer­ streben stabilisiert sein.

Der Wasserspiegel kann in einer Höhe von 8-10 cm eingestellt werden (bei einer Höhe des Wasserbehälters von 15 cm). Der Luftraum ober­ halb des Tablars beträgt 7-5 cm plus Luftraum, der durch einen Deckel 24 (Fig. 6) gebildet werden kann.

Als Istwertgeber für die elektronische Temperaturregelung sind die Sonden 17, insbesondere Platin-Temperatur-Sensoren vorgesehen, die an der Unterseite des Tablars befestigt werden können. Jedem im Betrieb befindlichen Wasserbehälter ist ein eigener Istwertgeber für die Signalga­ be an den jeweiligen Temperaturregler zugeordnet.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung das Tablar 11, auf dem die Rillenplatte 14 angeordnet ist. Sie kann aus einem Plastikwerkstoff oder Metall bestehen und wird zweckmäßig mit Hilfe von Bügeln oder der Rahmenhalterungswinkelpaare 22 auf dem Tablar festgeklemmt. Der Wasserspiegel reicht an die Unterseite der Rillenplatte heran und hält die Ausnehmungen/Rillen 15 bzw. aus der Rillenplatte 14 herausnehm­ bare rillenförmige Behälter auf konstanter Temperatur. In den Rillen sind die Teststreifen 16 angeordnet, die mit dem Wasser nicht in Berüh­ rung kommen sollen.

Eine Sonde 17 meldet die Temperatur in der Umgebung des Tablars an die zugeordnete Regeleinrichtung für die Heizung. Die Sonde kann an der Wand des Wasserbehälters oder, wie dargestellt, direkt an dem Tablar befestigt sein.

Für den Einsatz handelsüblicher Mikrotiterplatten (= Rillenplatte 14) mit z. B. einem Größe von 12,8 cm × 8,6 cm kann es vorteilhaft sein, den Wasserbehälter mit einer Querschnittsfläche und -form auszubilden, die nur wenig größer als eine solche Platte ist.

Wie bei Schüttelwasserbädern bekannt, ist es zweckmäßig, die Einrichtung mit einem winkel- bzw. sattelförmigen Deckel 25 abzudecken. Auch je ein solcher Deckel 25 für jeden Wasserbehälter kann vorteilhaft sein, wie in Fig. 3 dargestellt. Vorzugsweise ist, wie in Fig. 6 dargestellt, der Wasserbehälter durch einen Außendeckel 24 abgedeckt, der mittels eines Scharniers am Wasserbehälter befestigt sein kann. Der Deckel 24 ist innen mittig, dachförmig gewinkelt. Er ist in der Weise ausgestaltet, daß aus den Wasserbehältern verdunstetes Wasser zurück in die Wasserbehäl­ ter läuft. Er hat z. B. in Verbindung mit den oben beschriebenen Wasser­ behältern eine Höhe von 7 cm.

Claims (17)

1. Wasserbadschüttler zur Durchführung chemischer oder biochemischer Untersuchungen, wobei Proben mittels eines geregelten Schüttelwasserbads auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere säulenförmige Wasserbehälter (1, 2, 3) mit ihrer Grundfläche auf der Oberfläche eines Schütteltisches (4) angeordnet und dort fixiert sind, daß die Proben von Probenträgern (11) unter den Wasserspiegeln der Wasserbehälter (1, 2, 3) gehalten sind, daß jeweils am Standplatz eines jeden Wasserbehälters (1, 2, 3) eine Heizeinrichtung (5, 6, 7) in den Schütteltisch eingebaut ist, und daß zur Istwerterfassung für die Temperaturregelung der einzelnen Wasserbehälter (1, 2, 3) unabhängig voneinander, jeweils eine Sonde (17) benachbart den Pobenträgern (11) angeordnet ist, wobei die Heizeinrichtungen (5, 6, 7) der einzelnen Wasserbehälter (1, 2, 3) auf voneinander verschiedene Temperaturwerte regelbar sind.

2. Wasserbadschüttler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) jeweils mit einem winkelförmigen Deckel (24) abdeckbar sind, der in der Weise ausgestaltet ist, daß aus den Wasserbehältern (1, 2, 3) verdunstetes Wasser zurück in die Wasserbehälter (1, 2, 3) läuft.

3. Wasserbadschüttler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) in ihrem unteren Bereich eine Wasserablaßvorrichtung (26) aufweisen.

4. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenträger (11) auf Ständern (12) etwa im Bereich des zweiten Viertels der Höhe der Wasserbehälter (1, 2, 3), von oben gemessen, angeordnet sind, wodurch über den Probenträgern (11) Lufträume entstehen.

5. Wasserbadschüttler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenträger (11) höhenverstellbar sind.

6. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) rechteckigen Querschnitt haben.

7. Wasserbadschüttler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) 18 cm breit, 18 cm tief und 15 cm hoch sind.

8. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) kreisrunden Querschnitt haben.

9. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) mit einer Wassermenge von etwa 3240 cm³ füllbar sind.

10. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahlenverhältnis der Querschnittsfläche in cm² zur Höhe der Behälter in cm im Bereich von 15 bis 25 liegt.

11. Wasserbadschüttler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rillenplatte (14) in jeden Wasserbehälter (1, 2, 3) eingesetzt ist.

12. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenträger (11) Haltungselemente für Rillenplatten (14) aufweisen, wobei die Rillenplatten (14) lösbar an den Probenträgern (11) befestigt sind.

13. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (17) an den Probenträgern (11) befestigt sind.

14. Wasserbadschüttler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenträger (11) aus rostfreiem Chrom-Nickel-Stahl-Blech bestehen.

15. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillenplatten (14) Ausnehmungen (15) für die Aufnahme von Proben (16) aufweisen, wobei die Ausnehmungen (15) in der Weise ausgestaltet sind, daß sie auf ihrer der Öffnung der Wasserbehälter (1, 2, 3) zugewandten Seite eine Lagerung der Proben ohne Kontakt mit dem Wasser der Wasserbehälter (1, 2, 3) ermöglichen, während sie auf ihrer der Öffnung der Wasserbehälter (1, 2, 3) abgewandten Seite von dem Wasser der Wasserbehälter (1, 2, 3) umgeben sind.

16. Wasserbadschüttler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (15) aus Metall bestehen.

17. Wasserbadschüttler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserbehälter (1, 2, 3) aus rostfreiem Chrom- Nickel-Stahl-Blech bestehen.