DE60118533T2

DE60118533T2 - Analytischer Mikrochip mit Eingabe- und Ausgabeleitungen zwischen Wanne und Behälter

Info

Publication number: DE60118533T2
Application number: DE60118533T
Authority: DE
Inventors: Dr. Walter Schrenk; Dr. Tobias Preckel
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: DE60118533D1; US7186382B2; US20020185379A1; EP1264637B1; EP1264637A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine analytische Mikrochipvorrichtung. Spezifischer bezieht sich vorliegende Erfindung auf eine neue Vorrichtung zur Einleitung von Proben und Reagenzien in einen Mikrochip.
Die Benutzung von Mikrochipvorrichtungen zur chemischen Analyse ist wohlbekannt. Auf Mikrochips basierende analytische Instrumente sind im Handel erhältlich, wie der Bioanalysator 2100 von Agilent, wobei Proben und Reagenzien mit Hilfe einer Pipette oder Spritze manuell in den Mikrochip eingegeben werden.
1 zeigt einen üblichen Typ einer Mikrochipvorrichtung. Die Probe oder das Reagens 1 wird mit der Spritze 4 in den auf einem Mikrochip 3 angeordneten Behälter 2 gegeben. Die Probe oder das Reagens wird dann unter Anwendung bekannter Techniken, wie der Elektrophorese oder Elektroosmose, zum Fließen durch den Mikrokanal 5 gebracht.
In der oben erwähnten Vorrichtung muss die Probe/das Reagens manuell in den Behälter gegeben werden. Häufig umfasst ein Mikrochip dutzende Behälter, so dass dieses Verfahren zeitraubend und oft ungenau sein kann.
Ein Problem kann dadurch auftreten, dass während die letzten Behälter auf dem Chip gefüllt werden, von der Probe/dem Reagens, die in den ersten Behälter gegeben worden sind, etwas verdunstet sein kann. Dies kann als negative Wirkung die Veränderung einiger der physikalischen oder chemischen Parameter der Probe/des Reagens, wie der Temperatur oder des pH-Wertes, mit sich bringen, wodurch schließlich die Genauigkeit der analytischen Daten beeinträchtigt ist.
Die Patentschrift US-A-5 980 704 offenbart ein Verfahren und ein System zur Hemmung der Kreuzkontamination in Flüssigkeiten einer kombinatorischen Chemievorrichtung. Die Merkmale dieses Dokuments stellen den Oberbegriff von Anspruch 1 dar.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Mikrochipvorrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Nebenansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es somit, eine Vorrichtung bereitzustellen, in der die Probe/das Reagens kontinuierlich durch den Behälter zirkuliert, wodurch es möglich ist, ein konstantes Flüssigkeitsvolumen im Behälter aufrechtzuerhalten.
Vorteilhafterweise werden durch die Aufrechterhaltung eines konstanten Volumens im Behälter die physikalischen Parameter des Reagens im Wesentlichen konstant gehalten.
Während die Hauptvorteile und -merkmale der Erfindung oben beschrieben wurden, kann die Bezugnahme auf die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die nur als Beispiel vorgestellt wird, zu größerem Verständnis und besserer Beurteilung der Erfindung führen, wobei
2 eine schematische Darstellung des Mikrochips und der Pumpanordnung zeigt,
3 eine detailliertere Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Behälterbereichs des in 2 dargestellten Mikrochips ist,
4 eine alternative Ausführungsform des Behälterbereichs des Mikrochips darstellt,
5a bis 5b eine Vielfalt möglicher Pumpanordnungen darstellen,
6a eine einzelne Anordnung mit Mikrokanälen und Behälter auf dem Mikrochip darstellt,
6b eine Vielzahl von Anordnungen mit Mikrokanälen und Behältern auf dem Mikrochip darstellt,
7a eine erste mögliche Messanordnung auf dem Mikrochip darstellt,
7b eine weitere mögliche Messanordnung auf dem Mikrochip darstellt, und
8 eine schematische Darstellung eines möglichen On-Line-Messsystems ist, das den Mikrochip und die Pumpanordnung vorliegender Erfindung benutzt.
In 2 umfassen das Mikrochip- und Pumpsystem 15 den Mikrochip 20, das Pumpmittel 26, den externen Behälter 24 und jeweils die Eingabe- und Ausgabeleitungen 28 und 29.
Der Mikrochip ist vom in der Technik bekannten Typ und soll als solcher nachstehend nur kurz beschrieben werden. Der Mikrochip 20 umfasst eine untere Platte 31 und eine obere Platte 32, die so angeordnet sind, dass sie den Mikrokanal 25 bilden. Eine Wanne 21 ist in der oberen Platte ausgeführt. Der Durchmesser des Behälters beträgt typischerweise 5 mm, es wird jedoch als Vorteil gewertet werden, dass der Durchmesser je nach der spezifischen Anwendung variiert werden kann. Ein Mikrochipträger 33 ist auf der oberen Platte befestigt und hat Seitenwände 34, die die Höhe des Behälters weiter ausdehnen.
Nach einem erfindungsgemäßen Aspekt umfasst der Mikrochip eine Deckplatte 22, die oben auf dem Behälter vorgesehen ist. Ein O-Ring 30 ist zwischen Deckplatte und Seitenwände 34 des Mikrochipträgers angebracht, um eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung zwischen Deckplatte und Mikrochipträger zu schaffen. Die Deckplatte weist vorzugsweise eine Aussparung 36 auf, in die der O-Ring eingesetzt ist.
Ebenfalls innerhalb der Deckplatte vorgesehen sind ein Eingabeloch 41 und ein Ausgabeloch 42, die derart angeordnet sind, um jeweils die Eingabeleitung 28 und die Ausgabeleitung 29 aufzunehmen. Die Löcher 41, 42 sind derart angeordnet, dass wenn die Leitungen 28, 29 eingeführt werden, eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung zwischen den Löchern und den Leitungen hergestellt ist. Vorzugsweise wird dies durch Benutzung irgendeines Typs flexibler Gummischläuche für die Eingabe- und Ausgabeleitungen erreicht.
Der externe Behälter 24, der ein Reagens- oder Probenvolumen 10 enthält, befindet sich in passendem Abstand vom Mikrochip und umfasst einen Deckel 45, der auf den Behälter aufgesetzt eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung mit dem Behälter herstellt. In dem Deckel sind ein Ausgabeloch 46 und ein Eingabeloch 47 vorgesehen. Ähnlich wie bei den oben für die Mikrochipdeckplatte beschriebenen Anordnungen sind die Deckellöcher so angeordnet, dass sie die Eingabe- und Ausgabeleitungen 28, 29 aufnehmen, sodass ein luftdichtes Volumen innerhalb des Behälters aufrechterhalten bleibt.
Ein Pumpmittel 26 ist entlang der Eingabeleitung 28 vorgesehen und so angeordnet, dass Flüssigkeit 10 vom externen Behälter 24 zur Mikrochipwanne 21 gepumpt wird. Bei dieser Ausführungsform ist das Pumpmittel eine peristaltische Pumpe, jedoch können, was als Vorteil gewertet werden wird, andere Typen von Pumpen benutzt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Herstellung einer luftdichten Abdichtung innerhalb des Behälters und der Wanne bringt den Vorteil mit sich, dass eine einzige Pumpe verwendet werden kann, um Flüssigkeit vom Behälter zur Wanne und von der Wanne zum Behälter fließen zu lassen.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung reicht die Eingabeleitung 28 weiter in die Mikrochipwanne hinein als die Ausgabeleitung 29. Diese Anordnung gewährleistet, dass ein Mindestflüssigkeitsvolumen in die Wanne gepumpt wird, bevor Flüssigkeit aus der Wanne heraus und zurück in den Behälter gepumpt werden kann.
Bei einem noch weiteren Aspekt der Erfindung reicht die Eingabeleitung 28 tiefer in den externen Behälter hinein als die Ausgabeleitung 29. Diese Anordnung gewährleistet, dass Flüssigkeit aus dem unteren Bereich des externen Behälters in die Wanne gepumpt wird.
Ein Effekt der oben beschriebenen Eingabeleitungs- und Ausgabeleitungsanordnung kann darin bestehen, dass ein konstantes Volumen in der Wanne aufrechterhalten werden kann und dass ein Mischeffekt im externen Behälter eintritt. Dieser Mischeffekt kann vorteilhaft dazu verhelfen, dass ein Stocken der Flüssigkeit im Behälter verhindert wird.
Weiter verhilft der konstante Austausch von Flüssigkeit zwischen Wanne und Behälter dazu, dass ein konstanter Wert der physikalischen Parameter der Flüssigkeit in der Mikrochipwanne, wie Temperatur, pH-Wert und Konzentration, erhalten bleibt.
In 3, in der Teile, die auch in 2 dargestellt sind, mit identischer Ziffer bezeichnet sind, wird eine detailliertere Ansicht der Mikrochip- und Wannenanordnung gezeigt, wobei die Eingabeleitung 28 und die Ausgabeleitung 29 im Wesentlichen mit demselben Abstand in die Wanne reichen.
In 4, in der Teile, die auch in 2 und 3 dargestellt sind, mit identischer Ziffer bezeichnet sind, wird der Mikrochip mit dem Deckel 22, der die Wanne nicht versiegelt, gezeigt. Bei dieser alternativen Anordnung ist die Wanne dem Raumluftdruck offen ausgesetzt. Bei dieser Anordnung wird die Bewegung der Flüssigkeit zur Wanne hin durch eine erste (nicht dargestellte) Pumpe und die Entfernung der Flüssigkeit aus der Wanne durch eine zweite (nicht dargestellte) Pumpe veranlasst.
Eine Vielfalt von Pumpmittel kann mit den in den 2 bis 4 oben beschriebenen Mikrochips verwendet werden. Die 5a bis 5b zeigen einige mögliche Pumpanordnungen.
In 5a wird ein einziges Pumpmittel 26 mit dem in 2 dargestellten Mikrochip 20 verwendet. Das Pumpmittel ist vorzugsweise eine peristaltische Pumpe. Beim Betrieb der peristaltischen Pumpe wird das Fließen der Flüssigkeit vom externen Behälter 24 in den Mikrochip 20 und aus dem Mikrochip heraus zurück in den externen Behälter veranlasst.
Die einzige Pumpe und der versiegelte Mikrochip gewährleisten, dass ein konstantes Volumen in der Mikrochipwanne erhalten bleibt.
In 5b sind zwei peristaltische Pumpen 26, 27 mit dem in 4 dargestellten Mikrochip 40 verwendet. Die erste Pumpe 26 bewirkt, dass Flüssigkeit vom externen Behälter zum Mikrochip gepumpt wird, während die zweite Pumpe 27 Flüssigkeit vom Mikrochip zum externen Behälter pumpt. Durch die Steuerung der Pumpraten der beiden Pumpen kann das Flüssigkeitsvolumen in der Mikrochipwanne gesteuert werden. Zum Beispiel bleibt das Volumen in der Mikrochipwanne im Wesentlichen konstant, wenn beide Pumpen mit derselben Fließrate pumpen. Wenn jedoch die zweite Pumpe 27 mit einer höheren Fließrate pumpt als die erste Pumpe 26, verringert sich das Flüssigkeitsvolumen in der Mikrochipwanne.
Als Vorteil wird gewertet werden, dass andere Pumpmittel zusätzlich zu den oben angegebenen Beispielen verwendet werden könnten, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bei einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind mehrere mögliche Anordnungen von Mikrochipwannen und Mikrokanälen offenbart.
In 6a wird ein Mikrochip 20 gezeigt, der eine einzige Mikrochipwanne 21 mit Eingabe- und Ausgabeleitungen 28, 29 und einen einzigen Mikrokanal 25 umfasst. Eine Probe und/oder ein Reagens werden in die Mikrochipwanne 21 gepumpt und durch den Mikrokanal 25 mittels bekannter Verfahren wie der Elektrophorese oder Elektroosmose zum Fließen gebracht. Alternativ kann das Fließen durch den Mikrokanal durch eine Vakuumpumpe veranlasst werden, die am Ende des Mikrokanals vorgesehen ist. An einem entlang des Mikrokanals 25 befindlichen Nachweispunkt 61 erfolgt die Analyse der Probe. Eine solche Analyse kann durch irgendeine der Vielfalt bekannter Techniken wie Fluoreszenz-, Absorptions- oder elektrochemische Analyse erfolgen.
In 6b ist eine Vielzahl von Mikrochipwannen 60a–60d auf dem Mikrochip angeordnet, eine jede jeweils mit einem Mikrokanal 25a–25d, einer Eingabeleitung 28a–28d und einer Ausgabeleitung 29a–29d. Ähnlich wie bei der oben zu 6a beschriebenen Anordnung erfolgt die On-Chip-Analyse im Nachweisbereich 62 entlang der Mikrokanäle 25a–25d.
Die Anordnung einer Vielzahl von Wannen und Kanälen auf einem einzigen Mikrochip bietet den Vorteil, dass ein gleichzeitiger multipler paralleler On-Chip-Nachweis möglich ist. Die in 6b dargestellte Anordnung von Wannen und Kanälen ermöglicht vorteilhaft einen schnelleren Probendurchfluss, wodurch sowohl Kosten als auch Analysenzeit reduziert werden.
Es ist möglich, weitere Merkmale auf dem Mikrochip auszuführen. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist wie in den 7a und 7b dargestellt eine On-Chip-Bezugswanne 71 auf dem Mikrochip 20 vorgesehen.
Das Vorhandensein einer On-Chip-Bezugnahme ermöglicht es vorteilhaft, dass Echtzeit-Bezugsmessungen unter nahezu denselben experimentellen Bedingungen wie die Probenmessungen durchgeführt werden können, wodurch die Gesamtgenauigkeit der Analyse verbessert wird.
Bei einer noch weiteren möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform kann, wie in 8 dargestellt, der in 6b dargestellte Mikrochip mit einer Vielzahl von Wannen 21a–21n, einer Vielzahl von externen Behältern 24a–24n und Pumpmitteln 26 ausgestattet sein, um ein paralleles On-Line-On-Chip-Messsystem zu bilden. Ein solches System kann für Auflösungsversuche verwendet werden, ein in der pharmazeutischen Industrie wohl bekanntes Werkzeug.
Zusätzlich zu Obenerwähntem bietet die Erfindung den Vorteil größerer Behälter, die eine Lagerung größerer Mengen von Reagenzien ermöglichen. Die On-Chip-Verdunstung von Flüssigkeit ist reduziert oder ausgeschlossen, wodurch keine Konzentrationsänderungen oder Reagensauflösungen während der Analyse auftreten. Reagenzien können in externen Behältern bei definierter Temperatur aufbewahrt werden, was für Zellbestimmungen und instabile Enzyme von Bedeutung ist. Zellen brauchen nicht in einem Auftriebsanpassungspuffer behandelt zu werden, um ein Absetzen der Zellen während der Messdauer zu verhindern. Die Lebensfähigkeit und/oder Fluoreszenzmarkierungsintensität von Zellen kann ohne Unterbrechung eines Versuchslaufs untersucht werden.
Weitere erfindungsgemäße Vorteile sind die Fähigkeit einer On-Line-Nachfüllung des Mikrochips, ohne die Optik neu fokussieren zu müssen, wodurch Zeit gespart, der Durchsatz erhöht und die Gefahr, dass der Mikrochip durch Luftblasen oder abgesetzte Zellen verstopft wird, verringert wird.
Es ist nicht beabsichtigt, diese Erfindung auf die oben beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken und weitere Abwandlungen und Variationen sind innerhalb des Umfangs der Ansprüche vorgesehen.

Claims

Messvorrichtung, umfassend: einen Mikrochip (20), in dem eine Wanne (21) vorgesehen ist, wobei die Wanne ein Flüssigkeitsvolumen enthalten kann, einen Mikrokanal (25), der mit der Wanne verbunden und so angeordnet ist, dass die Flüssigkeit hindurchfließen kann, einen Behälter (24), der außerhalb des Mikrochips vorgesehen ist, eine Eingabeleitung (28), die den Behälter mit der Wanne verbindet und so angeordnet ist, dass die Flüssigkeit aus dem Behälter in die Wanne fließen kann, und eine Ausgabeleitung (29), die mit der Wanne verbunden und so angeordnet ist, dass Flüssigkeit aus der Wanne fließen kann, und Pumpmittel (26), das entlang der Eingabeleitung vorgesehen und derart angeordnet ist, dass es das Fließen von Flüssigkeit vom Behälter zur Wanne und das Fließen von Flüssigkeit aus der Wanne erleichtert, gekennzeichnet durch die Ausgabeleitung (29), die die Wanne mit dem Behälter verbindet und so angeordnet ist, dass Flüssigkeit aus der Wanne zum Behälter fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mindestens eines der Merkmale umfassend: ein Deckel (45) ist über der Wanne hermetisch angebracht, wodurch die Wanne (21) luftdicht versiegelt ist, der Behälter (24) ist hermetisch versiegelt.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, mindestens eines der Merkmale umfassend: die Eingabeleitung (28) reicht weiter in den Behälter (24) hinein als die Ausgabeleitung (29), die Eingabeleitung (28) reicht weiter in die Wanne (21) hinein als die Ausgabeleitung (29).
Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, die ein weiteres Pumpmittel (27) umfasst, das entlang der Ausgabeleitung (29) derart angeordnet ist, dass das Fließen von Flüssigkeit von der Wanne (21) zum Behälter (24) erleichtert wird.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Pumpmittel (26) und/oder das weitere Pumpmittel (27) eine peristaltische Pumpe sind.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mikrochip (20) eine Vielzahl von Wannen (21a bis 21d) und eine Vielzahl von Mikrokanälen (25a bis 25d) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei mindestens eine der Vielzahl von Wannen eine Bezugsprobe enthält.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit eine Lösung ist, die mindestens entweder Proteine oder Zellen enthält.
Anwendung der Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche für mindestens entweder eine On-Line-Prozessüberwachung oder einen Auflösungstest.
Verfahren, die Schritte umfassend: • Verbinden einer Eingabeleitung (28) von einem Behälter zu einer Wanne, um das Fließen von Flüssigkeit von dem Behälter zur Wanne zu ermöglichen, wobei der Behälter (24) außerhalb eines Mikrochips (20), in dem sich die Wanne (21) befindet, angeordnet ist, wobei die Wanne fähig ist, ein Volumen einer Flüssigkeit aufzunehmen, und ein Mikrokanal (25) mit der Wanne verbunden und so angeordnet ist, dass die Flüssigkeit hindurch fließen kann, • Verbinden einer Ausgabeleitung (29) von der Wanne zum Behälter, um das Fließen von Flüssigkeit von der Wanne zum Behälter zu ermöglichen, und • Zirkulieren des Flüssigkeitsflusses vom Behälter zur Wanne und von der Wanne zum Behälter unter Benutzung eines Pumpmittels (26).