DE10237400A1

DE10237400A1 - Gehäuse zur Probenbeaufschlagung von Beads

Info

Publication number: DE10237400A1
Application number: DE2002137400
Authority: DE
Inventors: Hans-Richard Kretschmer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Beansprucht wird ein Gehäuse mit Käfigen (15) zur Probenbeaufschlagung von Beads (16), um beispielsweise das Vorhandensein bestimmter Oligonukleotide in der Probe nachzuweisen. Das Gehäuse (12a) besteht aus einem Zuführ-Gehäuseteil (13), welches erfindungsgemäß alle Zuführöffnungen (25) für die Käfige (15), in denen die Beads eingeschlossen sind, aufweist. Dadurch kann eine parallele Zuführung der Probe erfolgen, wodurch vorteilhaft eine große Zahl von Käfigen in dem Gehäuse angeordnet werden kann. Die Käfige sind in einem Käfig-Gehäuseteil (14) ausgeführt, welches ein transparentes Basissubstrat (38) aufweist. Durch dieses Basissubstrat kann eine optische Untersuchung der im Gehäuse verbleibenden Probenbestandteile erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Probenbeaufschlagung von Beads mit einer Vielzahl von Käfigen zur Aufnahme der Beads, wobei die Käfige jeweils Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen für die Probe aufweisen. Unter Beads werden kleine, meist kugelförmige Partikel verstanden, wobei die Beads zur Immobilisierung von Wechselwirkungspartnern, die die nachzuweisenden Probenbestandteile binden können, besonders gut geeignet sind.

Ein derartiges Gehäuse ist beispielsweise in dem Aufsatz „Miniature Tools for Combinatorial Chemistry" von C. Gonzáles u.a., herausgegeben von A. van den Berg u.a., in Micro Total Analysis Systems 2000, erschienen bei Kluwer Academic Publishers, Niederlande 2000, Seiten 63 bis 66 beschrieben. Das in 3 gezeigte, als „silicon tea bags" bezeichnete Gehäuse für Beads besteht aus einem Stapel von taschenartigen Gehäuseteilen, die schubladenartig ineinander geschoben werden können. Die Gehäuseteile weisen jeweils eine Siliziumschicht auf, welche zur Bildung von Käfigen für Beads und zur Bildung von Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen für eine Probe, mit der die Beads beaufschlagt werden sollen, strukturiert ist. Anschließend wurde das Siliziumsubstrat auf ein Pyrexsubstrat aufgebracht, wobei dieses den Boden der Käfige und einen Teil der Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen bildet. Das Pyrexsubstrat des im zusammengebauten Gehäuse jeweils benachbarten Gehäuseteils bildet den Deckel der Käfige.

Entsprechend der Angaben in dem Aufsatz ist der Aufbau des beschriebenen Gehäuses für eine verhältnismäßig geringe An zahl verschiedener Beads bis zu 50 Komponenten technisch sinnvoll. Diese Bead-Komponenten werden durch Zusammenfügen des Gehäuses in den Käfigen eingeschlossen, danach erfolgt eine sequentielle Beaufschlagung der jeweils durch zwei benachbarte Gehäuseteile gebildeten Käfige.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gehäuse zur Probenbeaufschlagung von Beads anzugeben, mit dem sich eine vergleichsweise große Anzahl verschiedenartiger Beads in kurzer Zeit mit einer Probe beaufschlagen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Gehäuse gelöst, bei dem die Eintrittsöffnungen aller Käfige in einem einzigen plattenförmigen Zuführ-Gehäuseteil in fluidischer Parallelschaltung nebeneinander angeordnet sind. Durch die Verwendung eines einzigen plattenförmigen Zuführ-Gehäuseteils ist es möglich, die Probe in kurzer Zeit allen Käfigen gleichzeitig zuzuführen. Durch die fluidische Parallelschaltung der Eintrittsöffnungen werden alle Käfige direkt mit der Probe versorgt. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Steigerung der Anzahl der Käfige eine Versorgung jedes Käfigs mit der Probe sichergestellt werden kann, wobei zusätzlich vorteilhaft die Durchlauf zeit der Probe durch das Gehäuse im Vergleich zu einer seriellen Durchströmung der Käfige verringert werden kann. Insgesamt ist daher durch die starke Parallelisierung der Strömung in dem erfindungsgemäßen Gehäuse eine sehr viel effizientere Beaufschlagung der Beads in dem Gehäuse möglich, als dies bei Gehäusen gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gehäuses sieht vor, dass dem Zuführ-Gehäuseteil ein plattenförmiges Käfig-Gehäuseteil benachbart ist, welches ein Basissubstrat aufweist, auf des sen dem Zuführ-Gehäuseteil zugewandten Seite die Käfige angeordnet sind. Diese Ausbildung des Käfig-Gehäuseteils hat den Vorteil, dass die Käfige in einem zweidimensionalen Array auf dem Gehäuseteil angeordnet werden können und sich damit ein ähnlicher Aufbau ergibt, wie dieser bei mit Spots versehenen Biochips allgemein bekannt ist. Dabei lassen sich ohne weiteres ähnliche Arraygrößen wie bei Biochips erreichen, so z. B. ein Array von 100 × 100 Käfigen auf dem Käfig-Gehäuseteil. Hierdurch lässt sich vorteilhaft der beschriebene Effekt der Parallelisierung bei der Beaufschlagung der Proben in besonderer Weise nutzen.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich einer Trennfuge zwischen dem Zuführ-Gehäuseteil und dem Käfig-Gehäuseteil ein Vakuumkanal in zumindest einem der Gehäuseteile ausgebildet ist. Dieser Vakuumkanal gewährleistet eine lösbare Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen, die ein unproblematisches Auswechseln des Käfig-Gehäuseteils ermöglicht. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, das Zuführ-Gehäuseteil beispielsweise fest in einem Reaktor zur Probenbeaufschlagung der Beads zu montieren, wobei der Reaktor die notwendige Fluidik für die Zuleitung und Ableitung der Probe sowie deren Speicherung zur Verfügung stellt. In diesem Reaktor können nacheinander mehrere Käfig-Gehäuseteile zum Einsatz kommen, wobei während der Beaufschlagung eines Käfig-Gehäuseteils mit der Probe vorteilhafterweise bereits das nächste Käfig-Gehäuseteil für die Beaufschlagung vorbereitet werden kann. Zur Vorbereitung gehört beispielsweise die Füllung der Käfige mit Beads. Hierdurch können die Leerlaufzeiten des Reaktors minimiert werden, wodurch die Effizienz bei dem Betrieb des Reaktors insgesamt steigt.

Eine andere Variante des Gehäuses sieht vor, dass dieses zumindest teilweise derart transparent ausgebildet ist, dass eine optische Verbindung zwischen den Beads in den Käfigen und der Umgebung des Gehäuses besteht. Hierdurch ist vorteilhafterweise eine optische Untersuchung der Beads mittels eines optischen Readers möglich, ohne das Gehäuse öffnen zu müssen. Es ist insbesondere auch eine optische Untersuchung während der Beaufschlagung der Beads mit der Probe möglich, wodurch der Beaufschlagungsprozess vorteilhafterweise überwacht werden kann. Gleichzeitig kann eine Kontamination der teilweise empfindlichen Proben vor der optischen Untersuchung vermieden werden, wenn die Proben für die optische Untersuchung im Gehäuse verbleiben.

Es ist vorteilhaft, wenn mit dem Gehäuse ein optischer Reader zur optischen Untersuchung der Beads verbunden ist. Der optische Reader kann damit fest in den Reaktor eingebaut werden, der auch das Gehäuse für die Käfige trägt, so dass eine kompakte, mobile Baueinheit entsteht, welche sich vorteilhafterweise gut gegen Umwelteinflüsse abschirmen lässt.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein plattenförmiges Gehäuseteil für ein eine Vielzahl von Käfigen zur Aufnahme von Beads enthaltendes Gehäuse zur Probenbeaufschlagung dieser Beads, wobei die Käfige jeweils Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen für die Probe aufweisen. Ein solches Gehäuseteil ist in dem oben erwähnten Aufsatz beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es damit weiterhin, ein Gehäuseteil anzugeben, welches bei Komplettierung zu einem Gehäuse zur Probenbeaufschlagung von Beads die Beaufschlagung einer vergleichsweise großen Zahl verschiedenartiger Beads in kurzer Zeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuseteil als Zuführ-Gehäuseteil ausgestaltet ist, bei dem die Eintrittsöffnungen aller Käfige des Gehäuses in fluidischer Parallelschaltung nebeneinander angeordnet sind. Die mit dieser Ausgestaltung des Gehäuseteils verbundenen Vorteile sind bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gehäuse aufgeführt worden.

Gemäß einer Ausgestaltung dieser Erfindung ist vorgesehen, dass die Eintrittsöffnungen durch in dem Zuführ-Gehäuseteil ausgebildete Kanäle mit mindestens einem Einlass für die Probe verbunden sind. Hierdurch wird vorteilhafterweise in dem Zuführ-Gehäuseteil integral die gesamte Verteilung der Probe auf die einzelnen Eintrittsöffnungen gewährleistet. Damit genügt die Zuführung der Probe zum Zuführgehäuseteil über einen Einlass oder auch über einige wenige Einlässe, wodurch die Zahl der Schnittstellen zu dem bereits erwähnten Reaktor zur Beaufschlagung der Beads mit der Probe vorteilhafterweise verringert werden. Dadurch verringert sich auch die konstruktive Komplexität des Reaktors und es wird der Ein- bzw. Ausbau des Zuführ-Gehäuseteils stark vereinfacht.

Es ist vorteilhaft, dass die Kanäle und Eintrittsöffnungen in dem Zuführ-Gehäuseteil durch Strukturierung eines Grundsubstrates gebildet sind, welches mittels einer Abdeckplatte verschlossen ist. Hierdurch lässt sich das Zuführ-Gehäuseteil vorteilhafterweise mittels bekannter mikrotechnischer Fertigungsverfahren wie Ätzen oder Mikrofräsen auf einfache Weise herstellen.

Zuletzt bezieht sich die Erfindung auf einen plattenförmiges Käfig-Gehäuseteil mit einer auf einem Basissubstrat angeord neten Vielzahl von Käfigen zur Aufnahme von Beads für ein Gehäuse zur Probenbeaufschlagung dieser Beads, wobei die Käfige jeweils Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen für die Probe aufweisen. Ein solches Käfig-Gehäuseteil ist ebenfalls in dem eingangs aufgeführten Aufsatz beschrieben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein plattenförmiges Käfig-Gehäusebauteil anzugeben, welches sich einfach und kostengünstig herstellen lässt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass die Käfige durch Strukturierung einer auf das Basissubstrat aufgebrachten Schicht hergestellt sind. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Schicht zuerst auf das Basissubstrat aufgebracht und anschließend strukturiert werden. Dies wird dadurch möglich, dass eine Öffnung zwischen dem Basissubstrat und der aufgebrachten Schicht nicht vorgesehen werden muss, so dass eine Strukturierung der Schicht ausgehend von der dem Substrat abgewandten Seite möglich ist. Hierdurch lässt sich das Strukturierungsverfahren vorteilhafterweise einfacher durchführen; außerdem können Schichten verwendet werden, die sich nur strukturieren lassen, wenn sie bereits auf ein Basissubstrat aufgebracht wurden.

Vorteilhaft ist z. B. die Verwendung von Fotolack, insbesondere so genannten SU8-Lacks, welcher in Schichtdicken von 0 bis 100 μm aufgebracht werden kann und in diesem gesamten Schichtdickenbereich vorteilhafterweise eine unproblematische Strukturierung durch Belichten und Entwickeln ermöglicht. Hierdurch kann die im Bezug auf die Beadgröße geforderte Höhe der Käfige unproblematisch erzeugt werden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der letzten Erfindung ist jeder Käfig durch auf dem Basissubstrat stehende Rippen gebildet, die speichenradartig im Kreis angeordnet sind. Die Abstände zwischen den Speichen sind selbstverständlich geringer als die verwendete Beadgröße. Die speichenartigen Rippen bilden einen Ring, der mit den Gitterstäben eines Käfigs vergleichbar ist. Die Speichenradstruktur lässt sich durch Strukturierung des Substrates vorteilhafterweise besonders einfach erzeugen. Alternativ sind fototechnisch auch beliebige andere gitterartige Strukturen im Fotolack ausbildbar, die einerseits für die Probe durchlässig sind und andererseits die Beads im Käfig zu halten vermögen.

Eine weitere Ausgestaltung der letzten Erfindung sieht vor, dass das Basissubstrat transparent ist. Dieses stellt damit einen bereits erwähnten, transparenten Bereich des Gehäuses zur Verfügung, der sich, wie bereits erläutert, für eine optische Untersuchung der Beads im Gehäuse eignet.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen

1 einen stark vereinfachten Aufbau eines Reaktors, der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gehäuses enthält,

2 den Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gehäuses und

3 den Schnitt III-III gemäß 2.

Ein Reaktor 11, angedeutet durch dessen Systemgrenzen, weist ein Gehäuse 12 auf, welches aus einem Zuführ-Gehäuseteil 13 und einem Käfig-Gehäuseteil 14 besteht. In dem Käfig-Gehäuseteil 14 sind durch Strukturierung Käfige 15 ausgeführt, in deren Inneren sich Beads 16 befinden. Nach Einfül len der Beads 16 in die Käfige 15 werden diese mittels Auflegen des Zuführ-Gehäuseteils 14 verschlossen. Die Fixierung der beiden Gehäuseteile wird mittels eines Vakuumkanals 17 erreicht, der über einen Anschluss 18 mit einer Vakuumpumpe 19 verbunden ist.

Eine flüssige Probe 20 ist in einem Vorratsbehälter 21 gespeichert und wird mittels einer Pumpe 22 durch einen Einlass 23 in das Zuführ-Gehäuseteil 13 eingeleitet und über Kanäle 24 durch Eintrittsöffnungen 25 in die Käfige 15 gespült. Dort werden die Beads 16 mit der Probe beaufschlagt. Gewöhnlich sind auf der Oberfläche der Beads 16 Wechselwirkungspartner immobilisiert, an denen Bestandteile aus der Probe angelagert werden. Hierbei handelt es sich sowohl bei den Wechselwirkungspartnern als auch bei den Bestandteilen aus der Probe um korrespondierende Oligonukleotide, wodurch ein Nachweis von bestimmten Oligonukleotiden mittels der auf den Beads immobilisierten, passenden Gegenstücke gelingt. Die nachzuweisenden Probenbestandteile können beispielsweise mit sog. Fluoreszenzmarkern versehen sein, mit deren Hilfe nach einer Fluoreszenzlichtanregung der Nachweis einer Anbindung an die Wechselwirkungspartner durch optische Auswertung erfolgen kann (vgl. auch 3). Hierzu werden gewöhnlich optische Reader verwendet.

Aus den Käfigen wird die Probe nach Beaufschlagung der Beads durch Austrittsöffnungen 26, die als Zwischenräume zwischen Rippen 27 gebildet sind, in Ableitungskanäle 28 gespült und über eine Abflussleitung einem Abfallbehälter 30 zugeführt.

Das Käfig-Gehäuseteil 14 ist transparent ausgeführt, so dass ein Strahlengang 31, der durch eine Probenfluoreszenz ausgelöst wird, durch eine Optik (angedeutet durch eine Linse 32) geleitet wird und in einer CCD-Kamera 33 ausgewertet werden kann.

In 2 ist ein möglicher Aufbau des erfindungsgemäßen Gehäuses konkreter dargestellt. Soweit dieses Gehäuse 12a mit dem Gehäuse gemäß 1 übereinstimmt, sind die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei deren nähere Erläuterung entfällt.

Das Zuführ-Gehäuseteil 13 besteht aus einem Grundsubstrat 34, in dem die Kanäle 24 beispielsweise mittels einer Ätzbehandlung hergestellt sind. Der am Kanalgrund 35 verbleibende Teil des Basissubstrats wird weiterhin mit den Eintrittsöffnungen 25 versehen. Außerdem kann eine Strukturierung der den Kanälen 24 gegenüberliegenden Seite des Grundsubstrates 34 erfolgen, wodurch beispielsweise Auflagen 36 für das benachbart liegende Käfig-Gehäuseteil 14 gebildet werden. Der nach oben offene Teil der Kanäle 24 wird durch eine Abdeckplatte 37 verschlossen, in die auch der Einlass 23 integriert ist.

Das Käfig-Gehäuseteil 14 besteht aus einem Basissubstrat 38 aus Glas, auf das eine aus SU8-Lack bestehende Schicht 39, welche zur Ausbildung der Rippen 27 sowie Stützstegen 40, die einerseits eine Abdichtung des Gehäuses nach außen, andererseits einer Verbindung des Zuführ-Gehäuseteils 13 und des Käfig-Gehäuseteils 14 ermöglichen, verwendet wird. Durch die Stützstege 40 wird weiterhin der Ableitungskanal 28 segmentiert, wobei sich in jedem Segment eine senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Reihe von Käfigen befindet, von denen jeweils einer in 2 im Schnitt dargestellt ist.

In dem Querschnitt eines Käfigs gemäß 3 wird der speichenradartige Aufbau dieses Käfigs deutlich. Die Rippen 27 stehen auf dem Basissubstrat 38 und sind ähnlich den Speichen des Rades kreisringförmig angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den Speichen dienen als Austrittsöffnungen 26. Ein geeigneter Innendurchmesser D für den Käfig beträgt 1000 μm bei Wahl der Beads 16 mit einer entsprechenden Größe. An die dargestellten Beads 16 ist an die bereits erwähnten Wechselwirkungspartner 41 bereits ein spezielles Oligonukleotid 42 gebunden, welches mit einem Fluoreszenzmarker 43 versehen ist.

Claims

Gehäuse zur Probenbeaufschlagung von Beads (16) mit einer Vielzahl von Käfigen (15) zur Aufnahme der Beads (16), wobei die Käfige jeweils Eintrittsöffnungen (25) und Austrittsöffnungen (26) für die Probe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (25) aller Käfige in einem einzigen plattenförmigen Zuführ-Gehäuseteil (13) in fluidischer Parallelschaltung nebeneinander angeordnet sind.
Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zuführ-Gehäuseteil (13) ein plattenförmiges Käfig-Gehäuseteil (14) benachbart ist, welches ein Basissubstrat (38) aufweist, auf dessen dem Zuführ-Gehäuseteil (13) zugewandten Seite die Käfige (15) angeordnet sind.
Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Trennfuge zwischen dem Zuführ-Gehäuseteil (13) und dem Käfig-Gehäuseteil (14) ein Vakuumkanal (17) in zumindest einem der Gehäuseteile ausgebildet ist.
Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12, 12a) zumindest teilweise derart transparent ausgebildet ist, dass eine optische Verbindung zwischen den Beads (16) in den Käfigen (15) und der Umgebung des Gehäuses (12, 12a) besteht.
Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Gehäuse (12, 12a) ein optischer Reader (32, 33) zur optischen Untersuchung der Beads (16) verbunden ist.
Plattenförmiges Gehäuseteil für ein eine Vielzahl von Käfigen (15) zur Aufnahme von Beads (16) enthaltendes Gehäuse (12, 12a) zur Probenbeaufschlagung dieser Beads (16), wobei die Käfige (15) jeweils Eintrittsöffnungen (25) und Austrittsöffnungen (26) für die Probe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil als Zuführ-Gehäuseteil (13) ausgestaltet ist, bei dem die Eintrittsöffnungen (25) für alle Käfige (15) des Gehäuses in fluidischer Parallelschaltung nebeneinander angeordnet sind.
Gehäuseteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (25) durch in dem Zuführ-Gehäuseteil (13) ausgebildete Kanäle (24) mit mindestens einem Einlass (23) für die Probe verbunden sind.
Gehäuseteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (24) und Eintrittsöffnungen (25) durch Strukturierung eines Grundsubstrates (34) gebildet sind, welches mittels einer Abdeckplatte (37) verschlossen ist.
Plattenförmiges Käfig-Gehäuseteil (14) mit einer auf einem Basissubstrat (38) angeordneten Vielzahl von Käfigen (15) zur Aufnahme von Beads (16) für ein Gehäuse (12, 12a) zur Probenbeaufschlagung dieser Beads (16), wobei die Käfige jeweils Eintrittsöffnungen (25) und Austrittsöffnungen (26) für die Probe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfige (15) durch Strukturierung einer auf das Basissubstrat (38) aufgebrachten Schicht (39) hergestellt sind.
Käfig-Gehäuseteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (39) aus Fotolack besteht.
Käfig-Gehäuseteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Käfig (15) durch auf dem Basissubstrat (38) stehende Rippen (27) gebildet ist, die speichenradartig im Kreis angeordnet sind.
Käfig-Gehäuseteil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Basissubstrat (38) transparent ist.