WO2007042219A1 - Method and device for handling a liquid sample using a rotation having a temporally modifiable rotational vector - Google Patents
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Definitions
- the present application relates to a method and apparatus for handling a liquid sample using rotation with a time-varying rotary vector suitable for passing the sample past a detection structure, such as a microarray.
- a microarray is a parallel arrangement of a plurality of different but defined “capture structures", which may also be referred to as reaction sites, in a miniaturized grid (for example 500 ⁇ m) on a mostly flat substrate molecules or “capture probes”) such as DNA, cDNA, proteins, antibodies, biological cells or the like
- capture probes such as DNA, cDNA, proteins, antibodies, biological cells or the like
- a "microarray-based test” allows the detection of the molecules complementary to the capture molecules.
- Microarray-based assays are of great commercial interest, for example in gene expression analysis, single nucleotide polymorphism (SNP) analysis or personalized medicine.
- a "microarray-based test” consists of a multistep procedure, in which a defined microarray, ie the substrate with the immobilized capture molecules, is brought into contact with the liquid to be examined, so that the complementary molecules can react with the capture molecules Reaction can take many hours and depends on the characteristic times it takes to complete the complementary ones Molecules have arrived at the capture molecules and have reacted there, for example, have hybridized a DNA.
- the complementary molecules can be brought very close to the capture molecules very quickly, so that the diffusion lengths can be greatly shortened and thus the time periods for the reaction, for example the hybridization can be greatly reduced
- Cells with the microarray perform further process steps, such as the washing of the substrate and thus the microarray, ie the removal of unbound or non-specifically bound molecules by exchange of the liquid to be examined by a defined buffer, or the supply of reagents, such as fluorescently labeled detection antibody to the microarray.
- microarrays are processed by manually pipetting the sample and the relevant reagents. Due to the planar surface of the substrate, typically in the form of a microscope slide, the consumption of sample and reagents is high. In addition, the overflow of the microarray reaction points with the sample to be examined is not controlled. Due to the non-continuous closed substrate it can very quickly lead to Eindrocknungs binen at individual reaction points, which adversely affect the outcome of the experiment.
- the chamber is then placed in a planetary centrifuge and the centrifuge rotates the chamber about an axis of rotation external to the chamber at a rotational speed of 1,200 revolutions per minute still rotated around its own axis at a rate of 10 revolutions per minute.
- Chaotic advection is described in Mark K. McQuain et al., "Chaotic mixer improved microarray hybridization,” Analytical Biochemistry, 325 (2), pp. 215-226, 2004.
- the minimum lateral dimensions of the sensing structure are dictated by the lateral dimensions of the 2-dimensional microarray (typically in the range of one square centimeter) through the manufacturing process. At the same time, the dead volume of the chamber should be minimized.
- the litigation it is mainly a question of passing a liquid sample past a detection structure in a wide and as flat as possible chamber (in the case of the present invention, aspect ratios far below 1:10) with volumes in the microliter range.
- the object underlying the present invention is to provide an apparatus and a method for handling a liquid sample which, in a simple structure, make it possible to guide an increased proportion of a sample arranged in a sample chamber past a detection structure.
- the present invention provides a method for handling a liquid sample comprising the steps of:
- the present invention further provides an apparatus for handling a liquid sample, comprising:
- a chamber in which a detection structure enabling detection of a property of the sample is arranged;
- a drive device configured to subject the chamber to rotation
- a controller configured to control the drive means to rotate the chamber with a time-varying rotary vector having multiple accelerations and multiple decelerations to generate convective currents of a sample within the chamber by hydrodynamic inertial forces; to pass the sample past the detection structure.
- the present invention is based on the recognition that convection currents generated by rotation with a time-varying rotary vector can be advantageously utilized to pass a large portion of a sample arranged in a sample chamber past a detection structure or around the parts of a sample who is exposed to the collection structure to change in a simple and fast way.
- the acceleration phases may be interrupted by several intervals with a stationary or constantly rotating chamber, which may be advantageous for reactions to be effected.
- the sensing structure is a microarray, ie, a parallel array of a plurality of different but defined capture structures or capture molecules, which are immobilized on a support formed.
- the present invention is particularly useful for processing microarrays, where quasi-instantaneous active delivery of sample and reagents to the reactants in the microarray points may be referred to as rotating the chamber with a time-varying rotational vector, which may be referred to as a shake mode. takes place. Further, this results in the rapid removal of unbound reactants from the microarray points, i. the individual catcher structures or catcher molecules.
- a microarray body and a lid together form a reaction chamber whereby convective rotation in the reaction chamber causes convection in the chamber which accelerates mixing (between sample and microarray) in a microarray experiment.
- convective rotation in the reaction chamber causes convection in the chamber which accelerates mixing (between sample and microarray) in a microarray experiment.
- reaction chamber may be completely filled with liquid.
- the chamber may be formed in a body, the body having a substrate and a lid chip.
- One or more such bodies can be inserted into a rotor which can be set in rotation by means of a rotary motor.
- the detection structure for example the microarray, can be immobilized on the substrate, while a channel structure with inlet region, reaction cavity and outlet region is structured in the cover chip.
- the sensing structure may be immobilized on the part of the body, such as the lid, in which the channel structures are formed while the lid can be a plainer member.
- the channel structure may include one or more inlet regions, one or more sample chambers, such as reaction chambers, and one or more outlet regions.
- the body itself may be formed as a body of revolution, for example a disk, which is rotatable about an axis of rotation.
- a rotary body can likewise be formed from substrate and cover chip and have a channel structure required for implementing the present invention or for parallelization a plurality of corresponding channel structures which are arranged in a star shape on the pane.
- the channel structure may include an outlet channel fluidly connected to the chamber and having a siphon structure which in a given centrifugal force field results in a defined fill level of the liquid sample in the chamber.
- a siphon structure is generally understood to mean a structure subjected to the gravitational field, in the case of the present invention the centrifugal field, comprising a reservoir and a connecting channel, one end of which is connected to the reservoir and the other end of which has an outlet.
- the system is at least partially filled with a liquid.
- the system now aims for a hydrostatic equilibrium state, in which all menisci take the same position in the direction of the force field. If the exhaust duct is so forms that it completely filled with liquid according to the principle of communicating tubes, flows when the position of the outlet is below the liquid level in the hydrostatic equilibrium, as long as liquid from the outlet until the liquid level in the reservoir is at the level of the outlet.
- the continuous liquid column of the connecting channel acts as an odor stop, which remains odor-proof even after rinsing.
- connection channel Once the connection channel is completely filled with liquid, the liquid level can also be adjusted independently of the course of this connection channel only by the height of its outlet. By lowering the outlet below the reservoir bottom, the reservoir is emptied as long as the continuous column of liquid is not interrupted. For example, if the connection of the connection channel is at the bottom of the reservoir, the reservoir is completely emptied.
- the complete filling of the siphon can be done either by the principle of communicating tubes by pouring into the reservoir until the common liquid level is in the hydrostatic equilibrium state above the highest point of the connecting channel, and / or by the capillary driven filling of the channel.
- the detection structure may comprise a sensor structure comprising one or more sensor regions responsive to a sample located in the region thereof to enable conclusions to be drawn about properties of the samples.
- sensor structures are Oxygen sensors, C0 2 sensors or biosensors that use biomolecules to detect properties of a sample.
- the channel structures are preferably designed such that the interaction of centrifugal force and capillary force with synchronized sample addition and reagent addition, for example, allows complete processing of a microarray experiment.
- a siphon structure in the centrifugal force field can generate a course of the filling level defined by the time curve of the rotational frequency and the liquid volumes added at specific times, whereby the reaction conditions in the reaction chamber can be precisely controlled.
- the siphon structure can cause the reaction space to always be filled with liquid at least to such an extent that the microarray is covered by the latter when successively introducing the sample, a washing liquid and reagents into the reactor. be supplied onsraum.
- the microarray can be processed under continuously controllable fluidic conditions, since in the centrifugal force field of the siphon channel determines the filling level in the reaction chamber.
- the present invention thus consists, in accordance with preferred exemplary embodiments, of an apparatus and a method for processing microarrays on a preferably planar substrate, the invention making it possible to integrate the typical steps of a microarray-based experiment described below by way of example. These steps include adding the sample to a reaction chamber and blocking it, optionally washing the reaction chamber multiple times, and thus the microarray, detecting, ie, staining, the microarray and subsequently washing the microarray again, optionally several times. Also reading the microarray, which can be done in any conventional manner, could be integrated.
- the present invention allows for nearly complete integration of all necessary steps to process a microarray-based experiment, with the reduction in manual operations also helping to increase the reproducibility of microarray-based experiments.
- the body in which the fluidic structures are formed which preferably consists of a substrate and a lid, can be produced simply and inexpensively and can therefore be used as a disposable item.
- reaction chambers had a volume of about 50 ⁇ L, the total volume consisting of sample, reagents and buffers in the experiment carried out was only 500 ⁇ L. This generally represents a considerable reduction in the consumption of the sometimes very expensive liquids. These volumes, in contrast to experiments that are carried out on a free, so not limited by a chamber microarray surface, very low and could be through a targeted optimization of the chamber shape to reduce considerably.
- the process time could be reduced to 45 minutes. By far the largest part of this time is spent on the reaction / incubation between the initially introduced sample and the detection structure, while a washing step is completed in less than a minute. In general, a further drastic acceleration of the process time and also a considerable reduction of the chamber volume over the microarray is conceivable.
- the closed reaction chamber useful in the present invention allows the microarray-based experiment to run permanently in a controlled environment compared to a non-capped substrate, which in particular can prevent the microarray spots from drying out.
- the "agitation" in the reaction space by rotating with a time-varying rotational vector allows a shortened process time, while the fluidic "siphon" structure provides a controlled environment.
- FIG. 1 and 2 schematically show a plan view and a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a device according to the invention, wherein FIG. 2 schematically represents a cross-sectional view along the line X-X of FIG.
- 3 to 5 are schematic embodiments of channel structures of embodiments of a device according to the invention.
- 6a and 6b are schematic cross-sectional views for illustrating an embodiment of the method according to the invention.
- Fig. 7 shows the results of an experiment conducted using the invention
- FIGS. 9 shows an exemplary frequency protocol for carrying out a microarray experiment and the resulting fill level in the chamber.
- the device comprises a rotor 10 which is connected to a shaft 12 which is drivable by a rotary motor 14.
- the rotor 10 may be mounted in any manner, for example on a step portion of the shaft 12.
- Rotary motor 14 is provided with a controller 16 which is designed to set the rotor in the required manner in rotation.
- the rotor comprises four receiving regions 20 for accommodating modules 22 containing fluid structures according to the invention.
- the modules consist of a substrate 24 and a cover 26, wherein fluid structures are formed in the substrate 24.
- the fluid structures comprise, as shown in FIG. 1 and later explained in more detail with reference to FIG. 3, a reaction chamber 30, an outlet channel 32 with a centrifuge siphon structure 32, a waste reservoir region 34 and two inlet channels 36 and 38.
- the fluid structures in the substrate 24 are structured.
- the fluid structures could also be structured in the lid or in the lid and substrate.
- the combination of substrate and lid creates an arrangement which contains a reaction space and channel systems for the supply and removal of samples or analytes, reagents and / or washing liquids to the reaction chamber.
- the rotary motor 14 is controlled such that the rotor, and thus the modules 22, are subjected to a rotation in order to carry out the method according to the invention.
- the fluidic structures or channel structures are In this case, a planar substrate is used, on which the microarray is immobilized, while a lid chip is structured in order to realize the fluidic structures.
- the fluidic structures comprise an inlet region 40 for a sample or an analyte and an inlet region 42 for reagents.
- the inlet region 40 is connected to a reaction chamber 46 via an inlet channel 44, while the inlet region 42 is connected to the reaction chamber 46 via an inlet channel 48.
- the inlet channels 44 and 48 are radially inwardly connected to the reaction chamber 46 with respect to a centrifugal force field (see arrow F v in FIG. 3).
- an outlet channel 50 is connected to the reaction chamber, which in this application example has such a siphon structure 52, which initially consists of a radially outwardly extending channel section 52a in the direction of the centrifugal force field, then a channel section 52b running radially inwardly against the force field, and then in turn, is formed from a channel section 52c extending radially outward with the force field.
- the radial position of the outlet of the channel structure is below the bottom of the reaction chamber 46, ie ⁇ r ⁇ 0.
- a vent 54 is provided for the siphon structure.
- the vent 54 may optionally be completely or partially hydrophobized.
- the outlet channel 50 opens into a waste reservoir 56.
- the vent 54 is provided in the waste reservoir 56.
- a hydrophobized section 57 may be provided at the end of the outlet channel 50.
- the siphon structure 52 is designed to generate a defined liquid level in the reaction chamber 46 at a given centrifugal force field set at a particular point by the rotational speed, radial position and density of the fluids used upon initial charging.
- the structure is designed such that the reaction chamber 46 is completely filled with liquid in this phase.
- the inlet regions 40 and 42 have inlet area openings 40a and 42a.
- the respective inactive channel serves as a vent.
- Fig. 4 an alternative structure is shown, in which all liquids are supplied through a single channel 84, but this complicates the venting.
- the channel 84 is connected at its radially inner end to an inlet region 82 which has an inlet region opening 82a and to a chamber 80 at its radially outer end.
- the coordinate ⁇ r corresponds to the radial height difference relative to the outlet of the chamber, in which a detection structure 60, for example a microarray, is provided. If the initially empty chamber with the detection structure is filled with a volume such that the liquid level in the equilibrium state of the centrifugal field is below the radially innermost position of the siphon channel, this liquid level remains constant at ⁇ r> 0, independent of the rotational frequency , In this phase, the sample is incubated with the microarray in the shaking mode in this embodiment. On the other hand, if the siphon channel is completely filled with fluid up to its outlet, the fluid from the chamber will continuously flow into the outlet during centrifugation. Such filling can be, for example, by the capillary force at low speeds or at rest structure take place, or by adding a volume of liquid that forces (temporary) an equilibrium liquid level above the radially innermost point of the Siphonkanals r max.
- the channel structures are formed in the lid chip, wherein the Lid chip is so merged with a microarray substrate, that in the reaction chamber, the microarray 60 is arranged.
- the walls of the channel structures preferably have hydrophilic properties.
- the inlet portion 40 and the inlet channel 44 serve to supply sample liquid to the reaction space 46 by centrifugal force on the rotating assembly.
- the inlet region 42 and the inlet channel 48 serve to supply reagents to the reaction space 46 by the centrifugal force on the rotating assembly.
- the outlet channel 50 serves to leave the first supplied sample at arbitrarily high speeds and during the shaking mode in the chamber and so to set a constant liquid level in the reaction chamber 46.
- the reaction chamber 46 is always completely filled with liquid in this phase and thus drying out of the reaction chamber and thus of the microarray arranged therein is reliably prevented.
- liquid is displaced by the subsequently supplied liquid volumes in the waste area.
- the inlet regions 40 and 42 have the openings 40a and 42a either in the lid chip or in the substrate to allow them to be filled with the respective liquids, either manually or automatically.
- the optionally hydrophobized vent 54 includes an opening in either the lid chip or the substrate to allow venting.
- a sample liquid ie an analyte
- a sample liquid is introduced into the reaction chambers 46 by filling the inlet region 40 with the sample liquid and simultaneously or subsequently with the channel structure (for example by the rotary motor 14 with the associated control device 16, FIG. 2) suitable rotation is acted upon by the centrifugal force F x , and optionally also by a capillary force to introduce the liquid through the inlet channel 44 in the reaction chamber 46.
- the introduced volume is chosen so that the centrifugal force in the hydrostatic equilibrium initially sets a liquid level above the detection structure, but below r max , so that the reaction chamber can not yet be centrifugally emptied by the siphon.
- a time-variable rotary vector After filling the reaction chamber, it is then subjected to a time-variable rotary vector, which has a multiple acceleration and a multiple deceleration, possibly interrupted by resting phases with a constant or vanishing rotational vector.
- a time-variable rotary vector As a result of the rotation of the arrangement with a time-variable rotary vector, hydrodynamic inertial forces generate convection currents of the liquid located there within the reaction chamber.
- the time for mixing complementary molecules in the sample to the capture molecules can be reduced by deliberately “agitating" the liquid in the reaction chamber 46. Due to the convection currents, molecules that can be far away from the capture molecules in the steady state also become Close to the immobilized and complementary catcher molecules, non-bound reactants are rapidly removed from the capture molecules.
- a washing liquid is then introduced into the reaction chambers 46 via the inlet region 42, and centrifugally through the inlet channel 48.
- the sample liquid in the reaction chamber 46 is thereby displaced via the outlet channel 50 and the siphon structure is centrifugally displaced or filled by the capillary force in a suitably small centrifugal field. With complete filled siphon takes place in the centrifugal field, a continuous emptying of the reaction chamber 46 instead.
- the siphon principle also shows that the newly introduced volume corresponds to the displaced volume.
- the newly introduced volume In order to ensure a complete exchange of liquid in the reaction chamber 46, the newly introduced volume must thus at least correspond to the chamber volume.
- the volume displacement can be hydrodynamically designed so that the newly introduced is not flushed out with it. Ideally, a complete volume exchange takes place in the chamber 46.
- reagents for example fluorescently labeled detection antibodies
- further reagents can be introduced into the reaction chamber 46 via the inlet region 42 and the inlet channel 48 by utilizing the centrifugal force. This is followed by feeding a washing liquid and its centrifugally driven outflow through the siphon. Subsequently, an evaluation of the microarray can take place in any suitable manner.
- the inlet channels 44 and 48 as well as the outlet channel 50 represent the essential part of the hydrodynamic flow resistance of the overall structure.
- FIG. 5 schematically shows a channel structure whose outlet channel 70 has an alternative siphon structure 72.
- the siphon structure includes a radially outwardly extending portion 70a and a radially inward portion 70b that terminates in a waste reservoir 76 provided with a vent 76a.
- These at the highest point of the siphon -T max truncated structure is based in the centrifugal field directly on the principle of communicating tubes.
- hydrostatic equilibrium provides a liquid level .DELTA.R> 0 above r max complete filling and thus also the determination of the equilibrium liquid level to r max safe.
- the end of the siphon channel at r max is preferably above the detection structure and thus ensures complete filling thereof, as indicated again by the fill level 58.
- a microarray substrate 90 was used in which the reaction chamber 92 is patterned and on which the microarray 94 is immobilized.
- the substrate used was a polymer substrate, and in particular a substrate made of COC (cyclic olefin copolymer).
- a non-structured substrate and in particular a PDMS substrate 96 (polydimethylsiloxane substrate) without channel structures was used.
- BSA bovine serum albumin
- the corresponding microarray substrates are shown at point 1 in Figs. 6a and 6b.
- the substrates were then provided with a respective cover, wherein, according to FIG. 6a, an unstructured cover 98 is used, while according to FIG. 6b a reaction chamber 100 is structured in the cover 102. is ruled.
- the lid 98 is a PDMS lid, while the lid 102 is a COC lid.
- the sample having a known target concentration c (BSA) of mouse anti-BSA antibodies was introduced into the reaction chamber, as seen at point 2 of Figs. 6a and 6b.
- sheep anti-mouse Cy3 antibodies were supplied, see item 3 in Figs. 6a and 6b.
- the specific antigen-antibody complexes are formed. This is followed by a washing step, whereupon fluorescent detection antibodies 104 are added, with which the said complexes are labeled.
- FIGS. 8a, 8b and 8c Possible rotation protocols for applying the channel structures with a temporally variable rotation vector, which has multiple acceleration and multiple deceleration, are shown in FIGS. 8a, 8b and 8c.
- Fig. 8a shows a switching between maximum rotational frequencies f max with different rotational direction.
- the maximum rotational frequency may be 8 Hz
- the maximum rotational acceleration may be ⁇ 32 Hz / s, for example.
- Fig. 8b shows a switching between a maximum rotation frequency f max and a rotation frequency of 0, so that the rotation protocol as shown in Fig. 8 can be performed by using centrifuges operable in only one direction of rotation.
- Fig. 8c shows a rotation protocol in which after accelerating to the respective maximum Rotation frequency short-term rotation takes place at this maximum rotation frequency.
- FIGS. 8a to 8c is an occasional suspension of the acceleration phases with a constant or vanishing rotational vector.
- the curve 120 refers to the siphon structure of FIG. 3, while the curve 122 relates to the siphon structure of FIG. 5.
- the time scale is not linearly scaled here, for example the sample incubation time in the shake mode is typically at least ten times longer than the subsequent phase of the wash buffer washout. In the resting phases .DELTA.ti and .DELTA.t 2 liquid volumes are added.
- the microarray structure according to FIG. 3 is completely covered during the shaking mode.
- the chamber is continuously lent during rotation, as shown in section 120a of the curve 120.
- the body in which the fluid structures are formed could be formed as a rotational body, for example as a disc, which is rotatable about an axis of rotation thereof.
- a plurality of channel structures could be arranged radially star-shaped, comparable to the arrangement of the modules 22 in the rotor 10.
- the outlet channel instead of the siphon structure of the outlet channel, moreover, the outlet channel could be provided with a hydrophobic barrier or a high flow resistance, representing a rotational frequency dependent liquid switch.
- the channel structures comprise one or more inlet channels to supply liquid by centrifugal force into the reaction chamber.
- the liquid could also enter the reaction chamber in any other ways, for example via a feed channel while exerting a pressure or by manual filling, for example with a pipetting system.
- the outlet channel or the siphon structure of the same does not constitute a mandatory feature of the invention, in particular if several liquids are not to be successively passed through the reaction chamber, but only the properties of a liquid are to be detected using a sensor structure.
- the liquids could also be sucked or flushed out through a lid opening or intermediate removal of the lid.
- the mixing process could be further improved by the (para) magnetic in the above-mentioned publication M. Grumann et al., "Batch Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, pages 560-565 Beads in combination with permanent magnets, which are fixedly arranged along the chamber orbit, assist In particular in the shaking mode, beads whose density differs from the corresponding liquid density could also accelerate the mixing process by means of a centrifugation or a correspondingly positioned magnet finally be removed from the detection window of the microarrays.
- the rotary actuator may be designed to perform a frequency-controlled PC-controlled protocol to generate a time-dependent centrifugal field to precisely control flow rates and timing for the individual steps to be performed.
- a control software can also control, for example, one or more dispensers, which give the reagents to the inlets at rest or even with appropriate synchronization with a rotating substrate.
- a suction device could also automate the removal of fluids.
- the present invention thus provides apparatuses and methods that are particularly suitable for performing microarray experiments in an increasingly automated manner.
- the present invention provides a way to efficiently deliver sample liquid and the molecules contained therein capture molecules of the microarray and to prevent during the entire experiment that the microarray dries out.
- reliable, reproducible results can be obtained with only a very small dead volume and high sensitivity.
- the speed and sensitivity of the processing can be improved by a chamber with very low volume and also very low dead volumes in the feeders.
- the present invention is also particularly suitable for use in so-called "lab-on-a-disk" systems, which provide a flexible platform for fully integrated and fast processing of experiments.
- the present invention enables microarray experiments to be carried out with reduced time, a fast and homogeneous reaction, an automated washing process, a reduced consumption of sample and reagents, and an integrated waste handling.
- the elimination of uncontrolled drying steps by the siphon structure also allows the sensitivity of the microarray experiment. In this way, the use of separate devices such as slide cleaners and the like becomes obsolete and handling steps are automated.
- the symmetry of the rotor or body of revolution potentially allows multiple microarray experiments to be performed in parallel.
- the chamber is preferably designed to be completely, i. without gas inclusion, to be filled with the sample.
- the chamber may be completely closed or with the exception of inlet channel and
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Method and device for handling a liquid
Probe unter Verwendung einer Rotation mit einem zeitlich veränderlichen DrehvektorSample using a rotation with a time-varying rotation vector
Beschreibungdescription
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe unter Verwendung einer Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, die geeignet sind, um die Probe an einer Erfassungsstruktur, beispielsweise einem Mikroarray, vorbeizuführen.The present application relates to a method and apparatus for handling a liquid sample using rotation with a time-varying rotary vector suitable for passing the sample past a detection structure, such as a microarray.
Ein Mikroarray ist eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von unterschiedlichen, aber definierten „Fängerstrukturen", die auch als Reaktionspunkte bezeichnet werden können, in einem miniaturisierten Raster (beispielsweise 500 μm) auf einem zumeist ebenen Substrat. Die Fängerstrukturen können beispielsweise Fängermoleküle (im Englischen „probe mole- cules" oder „capture probes") , wie DNA, cDNA, Proteine, Antikörper, biologische Zellen oder ähnliches, sein. Ein „Mikroarray-basierter Test" erlaubt die Detektion der zu den Fängermolekülen komplementären Moleküle. Mikroarray- basierte Tests sind von großem wirtschaftlichem Interesse, beispielsweise bei der Gen-Expressionsanalyse, der SNP- Analytik (SNP = Single Nucleotide Polymorphism) oder für die personalisierte Medizin.A microarray is a parallel arrangement of a plurality of different but defined "capture structures", which may also be referred to as reaction sites, in a miniaturized grid (for example 500 μm) on a mostly flat substrate molecules or "capture probes") such as DNA, cDNA, proteins, antibodies, biological cells or the like A "microarray-based test" allows the detection of the molecules complementary to the capture molecules. Microarray-based assays are of great commercial interest, for example in gene expression analysis, single nucleotide polymorphism (SNP) analysis or personalized medicine.
Ein „Mikroarray-basierter Test" besteht aus einer Prozedur mit mehreren Teilschritten. Zunächst wird ein definiertes Mikroarray, also das Substrat mit den immobilisierten Fängermolekülen, in Kontakt mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gebracht, so dass die komplementären Moleküle mit den Fängermolekülen reagieren können. Die Reaktion kann viele Stunden dauern und ist von den charakteristischen Zeiten abhängig, die es dauert, bis die komplementären Moleküle zu den Fängermolekülen gelangt sind und dort reagiert haben, beispielsweise eine DNA hybridisiert haben.A "microarray-based test" consists of a multistep procedure, in which a defined microarray, ie the substrate with the immobilized capture molecules, is brought into contact with the liquid to be examined, so that the complementary molecules can react with the capture molecules Reaction can take many hours and depends on the characteristic times it takes to complete the complementary ones Molecules have arrived at the capture molecules and have reacted there, for example, have hybridized a DNA.
Durch kontinuierliches „Umrühren" oder eine geeignete Fluidführung können die komplementären Moleküle den Fängermolekülen sehr schnell sehr nahe gebracht werden, so dass die Diffusionslängen stark verkürzt und somit die Zeitdauern für die Reaktion, beispielsweise die Hybridisierung, stark reduziert werden können. Nach der Reaktion der MoIe- küle mit dem Mikroarray erfolgen weitere Prozessschritte, wie beispielsweise das Waschen des Substrats und somit des Mikroarrays, d. h. das Entfernen von ungebundenen oder nicht spezifisch gebundenen Molekülen durch Austausch der zu untersuchenden Flüssigkeit durch einen definierten Puffer, oder das Zuführen von Reagenzien, beispielsweise fluoreszenzmarkierter Nachweisantikörper, zu dem Mikroarray.By continuous "stirring" or suitable fluid guidance, the complementary molecules can be brought very close to the capture molecules very quickly, so that the diffusion lengths can be greatly shortened and thus the time periods for the reaction, for example the hybridization can be greatly reduced Cells with the microarray perform further process steps, such as the washing of the substrate and thus the microarray, ie the removal of unbound or non-specifically bound molecules by exchange of the liquid to be examined by a defined buffer, or the supply of reagents, such as fluorescently labeled detection antibody to the microarray.
Gemäß dem Stand der Technik werden Mikroarrays beispiels- weise prozessiert, indem die Probe und die relevanten Reagenzien manuell pipettiert werden. Bedingt durch die planare Oberfläche des Substrats, typischerweise von der Form eines Mikroskopie-Objektträgers, ist hier der Verbrauch an Probe und Reagenzien hoch. Außerdem ist das Überströmen der Mikroarray-Reaktionspunkte mit der zu untersuchenden Probe nicht kontrolliert. Aufgrund des nicht durchgängig geschlossenen Substrats kann es sehr schnell zu Eintrocknungseffekten an einzelnen Reaktionspunkten kommen, die das Ergebnis des Experiments negativ beeinflussen.For example, in the prior art, microarrays are processed by manually pipetting the sample and the relevant reagents. Due to the planar surface of the substrate, typically in the form of a microscope slide, the consumption of sample and reagents is high. In addition, the overflow of the microarray reaction points with the sample to be examined is not controlled. Due to the non-continuous closed substrate it can very quickly lead to Eindrocknungseffekten at individual reaction points, which adversely affect the outcome of the experiment.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Mikroarrays in einer geschlossenen fluidischen Struktur zu prozessieren. Hierbei gibt es technische Lösungen beispielsweise durch eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktions- kammern unter Ausnutzung von akustischen Oberflächenwellen (Engl. SAW = surface acoustic wave) . Derartige Techniken wurden beispielsweise von der Firma Advalytix AG (www.advalytix.de) offenbart. Eine alternative Technik bestand darin, eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern durch eine gekoppelte Rotationsbewegung um zwei Achsen durchzuführen. Eine solche Technik ist bei M.A. Bynum u.a., „Hybridization Enhancement using Microfluidic Planetary Centrifugal Mi- xing", Analytical Chemistry, Bd. 76, Nr. 23, 1. Dezember 2004, Seiten 7.039 - 7.044, beschrieben. Gemäß dieser Technik werden Proben auf Dichtungsobjektträger aufgebracht und mit einem Mikroarray abgedeckt, um eine Kammer zu bilden. Die Kammer wird dann in eine planetarische Zentrifuge eingesetzt. Die Zentrifuge dreht die Kammer um eine außerhalb der Kammer liegende Rotationsachse mit einer Drehgeschwindigkeit von 1.200 Umdrehungen pro Minute. Darüber hinaus wird die Kammer noch mit einer Rate von 10 Umdrehungen pro Minute um ihre eigene Achse gedreht .From the prior art, it is also known to process microarrays in a closed fluidic structure. Here, there are technical solutions, for example, by a targeted mixing of the sample in reaction chambers using surface acoustic wave (SAW = SAW = surface acoustic wave). Such techniques have been disclosed, for example, by Advalytix AG (www.advalytix.de). An alternative technique was to perform a targeted mixing of the sample in reaction chambers by a coupled rotational movement about two axes. Such a technique is described in MA Bynum et al., "Hybridization Enhancement using Microfluidic Planetary Centrifugal Milling", Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 23, December 1, 2004, pages 7,039-7,044 The chamber is then placed in a planetary centrifuge and the centrifuge rotates the chamber about an axis of rotation external to the chamber at a rotational speed of 1,200 revolutions per minute still rotated around its own axis at a rate of 10 revolutions per minute.
Systeme, die eine druckgetriebene oder elektrisch getriebene Konvektion verwenden, sind bei Rinie van Beuningen et al., "Fast and specific hybridization using flowthrough microarrays on porous metal oxide", Clinical Chemistry, 47(10), S.1931-1933, 2001, und Vincent Benoit et al., "Evaluation of three-dimensional microchannel glass bio- chips for multiplexed nucleic acid fluorescence hybridiza- tion assays", Analytical Chemistry, 73(11), S.2412-2420, 2001, beschrieben.Systems utilizing pressure-driven or electrically-driven convection are described in Rinie van Beuningen et al., "Fast and Specific Hybridization Using Flow Through Microarrays on Porous Metal Oxides", Clinical Chemistry, 47 (10), pp. 1931-1933, 2001; and Vincent Benoit et al., "Evaluation of three-dimensional microchannel glass biochips for multiplexed nucleic acid fluorescence hybridization assays", Analytical Chemistry, 73 (11), p.2412-2420, 2001.
Eine chaotische Advektion ist bei Mark K. McQuain et al., "Chaotic mixer improves microarray hybridization", Analyti- cal Biochemistry, 325(2), S.215-226, 2004, beschrieben.Chaotic advection is described in Mark K. McQuain et al., "Chaotic mixer improved microarray hybridization," Analytical Biochemistry, 325 (2), pp. 215-226, 2004.
Eine Probenoszillation unter Verwendung einer mikrofluidi- schen Hybridisierung und eines mäanderartigen Arraykanals ist bei Yingjie Liu und Cory B. Rauch, "DNA probe attach- ment on plastic surfaces and microfluidic hybridization array Channel devices with sample oscillation", Analytical Biochemistry, 317(1), S.76-84, 2003 beschrieben. Die Verwendung von Scherflüssen ist bei K. Pappaert et al., "Enhancement of DNA micro-array analysis using shear-driven micro-channel flow system", Journal of Chromatography A, 1014(1-2), S. 1-9, 2003; Johan Vanderhoeven et al., "Ex- ploiting the benefits of miniaturization for the enhance- ment of DNA microarrays", 25(21-22), S.3677-3686, 2004, und Johan Vanderhoeven et al., "DNA microarray enhancement using a continuously and discontinuously rotating micro- chamber", Analytical Chemistry, 77(14), S.4474-4480, 2005, beschrieben.Sample oscillation using microfluidic hybridization and a meandering array channel is described in Yingjie Liu and Cory B. Rauch, "DNA Probe Attachment on Plastic Surfaces and Microfluidic Hybridization Array Channel Devices with Sample Oscillation," Analytical Biochemistry, 317 (1). , Pp. 76-84, 2003. The use of shear flows is described in K. Pappaert et al., "Enhancement of DNA micro-array analysis using a shear-driven micro-channel flow system", Journal of Chromatography A, 1014 (1-2), p. 1-9, 2003; Johan Vanderhoeven et al., "Exploiting the benefits of miniaturization for the enhancement of DNA microarrays," 25 (21-22), pp. 367-3686, 2004, and Johan Vanderhoeven et al., "DNA microarray enhancement using a continuously and discontinuously rotating microcage ", Analytical Chemistry, 77 (14), pp. 4474-4480, 2005.
Hohlraum-induzierte Mikroströmungen sind bei Robin Hui Liu et al., "Hybridization enhancement using cavitation micro- streaming", Analytical Chemistry, 75(8), S.1911-1917, 2003, beschrieben.Cavitation-induced microflows are described in Robin Hui Liu et al., "Hybridization enhancement using cavitation micro-streaming", Analytical Chemistry, 75 (8), pp. 1911-1917, 2003.
Schließlich ist eine akustisch induzierte Konvektion bei Andreas Toegl et al., "Enhancing results of microarray hybridizations through microagitation", Journal of Bio- molecular Techniques, 14(3), S.197-204, 2003, Achim Wix- forth, "Fiat fluidics: Acoustically driven planar microflu- idic devices for biological and chemical applications", in Proceedings of the 13th International Conference on Solid- State Sensors, Actuators & Microsystems (Transducers' 05) , June 5-9, Seoul, Korea, S. 143-146. IEEE, 2005, beschrieben.Finally, acoustically induced convection is described by Andreas Toegl et al., "Enhancing results of microarray hybridizations through microagitation", Journal of Bio- molecular Techniques, 14 (3), p.197-204, 2003, Achim Wixforth, "Fiat fluidics: acoustically driven planar microfluidic devices for biological and chemical applications ", in Proceedings of the th th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators & Microsystems (Transducers' 05), June 5-9, Seoul, Korea, S. 143-146. IEEE, 2005.
M. Grumann u. a., „Batch-Mode mixing on Centrifugal Mic- rofluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, Seiten 560 - 565, offenbaren ein Mischen von Flüssigkeiten in einer Mischkammer, in dem die Mischkammer einer Rotation mit sich periodisch änderndem Drehsinn unterworfen wird.M. Grumann u. a., "Batch-Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, pages 560-565, disclose mixing liquids in a mixing chamber in which the mixing chamber is subjected to rotation with a periodically changing sense of rotation ,
Nachteilig am bekannten Stand der Technik zum Prozessieren von Mikroarrays sind die notwendigerweise aktiven und komplexen Systeme zur Anregung und Steuerung, um eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern zu erreichen. Außerdem erfordern einige der alternativen Systeme, beispielsweise gepumpte Systeme, Zu- und Abläufe, deren zusätzliche Totvolumina sich negativ auf die Sensiti- vität der Arrays auswirken.Disadvantages of the known state of the art for processing microarrays are the necessarily active and complex systems for excitation and control in order to achieve targeted mixing of the sample into reaction chambers. Also, some of the alternatives require Systems, such as pumped systems, inlets and outlets, whose additional dead volumes have a negative effect on the sensitivity of the arrays.
Die minimalen lateralen Abmessungen der Erfassungsstruktur sind durch die lateralen Abmessungen des 2-dimensionalen Mikroarrays (typischerweise im Bereich eines Quadratzentimeters) durch den Herstellungsprozess vorgegeben. Gleichzeitig soll das Totvolumen der Kammer minimiert werden soll. Technisch gesehen geht es also während der Prozessführung hauptsächlich um das Problem, in einer breiten und möglichst flachen Kammer (im Fall der vorliegenden Erfindung Aspektverhältnisse von weit unter 1:10) mit Volumina im Mikroliterbereich eine flüssige Probe an einer Erfas- sungsstruktur vorbei zu führen.The minimum lateral dimensions of the sensing structure are dictated by the lateral dimensions of the 2-dimensional microarray (typically in the range of one square centimeter) through the manufacturing process. At the same time, the dead volume of the chamber should be minimized. Technically speaking, during the litigation, it is mainly a question of passing a liquid sample past a detection structure in a wide and as flat as possible chamber (in the case of the present invention, aspect ratios far below 1:10) with volumes in the microliter range.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben einer flüssigen Probe zu schaffen, die es bei einem einfachen Aufbau ermöglichen, einen erhöhten Anteil einer in einer Probenkammer angeordneten Probe an einer Erfassungsstruktur vorbei zu führen.The object underlying the present invention is to provide an apparatus and a method for handling a liquid sample which, in a simple structure, make it possible to guide an increased proportion of a sample arranged in a sample chamber past a detection structure.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 13.
Die vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum Handhaben einer flüssigen Probe mit folgenden Schritten:The present invention provides a method for handling a liquid sample comprising the steps of:
Einbringen der Probe in eine Kammer, in der eine Erfassungsstruktur, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, angeordnet ist, undIntroducing the sample into a chamber in which a detection structure enabling detection of a property of the sample is arranged, and
Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen, um durch hydrodynamische Inertialeffekte Konvektionsströme der Probe in der Kammer zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbei zu führen. Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe, mit folgenden Merkmalen:Rotating the chamber with a time-varying rotational vector, the multiple acceleration and a multiple deceleration, to generate convection currents of the sample in the chamber by hydrodynamic inertial effects, to lead the sample past the detection structure. The present invention further provides an apparatus for handling a liquid sample, comprising:
einer Kammer, in der eine Erfassungsstruktur, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, angeordnet ist;a chamber in which a detection structure enabling detection of a property of the sample is arranged;
einer Antriebseinrichtung, die konfiguriert ist, um die Kammer einer Rotation zu unterwerfen; unda drive device configured to subject the chamber to rotation; and
einer Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um die Antriebseinrichtung zu steuern, um die Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor zu rotieren, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialkräfte Konvekti- onsströme einer in der Kammer befindlichen Probe zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbei zu führen.a controller configured to control the drive means to rotate the chamber with a time-varying rotary vector having multiple accelerations and multiple decelerations to generate convective currents of a sample within the chamber by hydrodynamic inertial forces; to pass the sample past the detection structure.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erzeugte Konvektionsströme vorteilhaft ausge- nutzt werden können, um einen großen Anteil einer in einer Probenkammer angeordneten Probe an einer Erfassungsstruktur vorbei zu führen, bzw. um die Teile einer Probe, der die Erfassungsstruktur ausgesetzt ist, auf einfache und schnelle Weise zu ändern.The present invention is based on the recognition that convection currents generated by rotation with a time-varying rotary vector can be advantageously utilized to pass a large portion of a sample arranged in a sample chamber past a detection structure or around the parts of a sample who is exposed to the collection structure to change in a simple and fast way.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Beschleunigungsphasen durch mehrere Intervalle mit ruhender oder konstant drehender Kammer unterbrochen werden, was vorteilhaft für zu bewirkende Reaktionen sein kann.In embodiments of the invention, the acceleration phases may be interrupted by several intervals with a stationary or constantly rotating chamber, which may be advantageous for reactions to be effected.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Erfassungsstruktur durch ein Mikroarray, d. h. eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von unterschiedlichen, aber definierten Fängerstrukturen bzw. Fängermolekülen, die auf einem Träger immobilisiert sind, gebildet.In preferred embodiments of the invention, the sensing structure is a microarray, ie, a parallel array of a plurality of different but defined capture structures or capture molecules, which are immobilized on a support formed.
Diesbezüglich eignet sich die vorliegende Erfindung insbe- sondere zur Prozessierung von Mikroarrays, wobei ein quasi instantanes aktives Hinführen von Probe und Reagenzien an die Reaktanden in den Mikroarray-Punkten durch das Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, was als Schüttelmodus bezeichnet werden kann, stattfindet. Ferner erfolgt dadurch ein schnelles Entfernen nichtgebundener Reaktionspartner von den Mikroarray-Punkten, d.h. den einzelnen Fängerstrukturen bzw. Fängermolekülen.In this regard, the present invention is particularly useful for processing microarrays, where quasi-instantaneous active delivery of sample and reagents to the reactants in the microarray points may be referred to as rotating the chamber with a time-varying rotational vector, which may be referred to as a shake mode. takes place. Further, this results in the rapid removal of unbound reactants from the microarray points, i. the individual catcher structures or catcher molecules.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bilden ein Mikroarray-Körper und ein Deckel gemeinsam eine Reaktionskammer, wobei durch alternierende Drehbewegungen in der Reaktionskämmer eine Konvektion in der Kammer herbeigeführt wird, welche die Durchmischung (zwischen Probe und Mikroarray) in einem Mikroarray- Experiment beschleunigt. Somit kann aufgrund einer erzwungenen Konvektion einer in einer Reaktionskämmer angeordneten Probe die Zeit beispielsweise für eine DNA- Hybridisierung reduziert werden.In preferred embodiments of the present invention, a microarray body and a lid together form a reaction chamber whereby convective rotation in the reaction chamber causes convection in the chamber which accelerates mixing (between sample and microarray) in a microarray experiment. Thus, due to forced convection of a sample placed in a reaction chamber, for example, the time for DNA hybridization can be reduced.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Reaktionskammer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein.In preferred embodiments, the reaction chamber may be completely filled with liquid.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Kammer in einem Körper gebildet sein, wobei der Körper ein Substrat und einen Deckelchip aufweist. Ein oder mehrere derartige Körper können in einen Rotor eingesetzt werden, der über einen Drehmotor in Rotation versetzbar ist. Die Erfassungsstruktur, beispielsweise das Mikroarray, kann auf dem Substrat immobilisiert sein, während im Deckelchip eine Kanalstruktur mit Einlassbereich, Reaktionskavität und Auslassbereich strukturiert ist. Alternativ kann die Erfassungsstruktur an dem Teil des Körpers, beispielsweise dem Deckel, immobilisiert sein, in dem die Kanalstrukturen gebildet sind, während der Deckel ein planeres Bauglied sein kann. Die Kanalstruktur kann einen oder mehrere Einlassbereiche, eine oder mehrere Probenkammern, beispielsweise Reaktionskammern, und einen oder mehrere Auslassbe- reiche aufweisen.In embodiments of the present invention, the chamber may be formed in a body, the body having a substrate and a lid chip. One or more such bodies can be inserted into a rotor which can be set in rotation by means of a rotary motor. The detection structure, for example the microarray, can be immobilized on the substrate, while a channel structure with inlet region, reaction cavity and outlet region is structured in the cover chip. Alternatively, the sensing structure may be immobilized on the part of the body, such as the lid, in which the channel structures are formed while the lid can be a plainer member. The channel structure may include one or more inlet regions, one or more sample chambers, such as reaction chambers, and one or more outlet regions.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Körper selbst als Rotationskörper, beispielsweise eine Scheibe, ausgebildet sein, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Ein solcher Rotationskörper kann ebenfalls aus Substrat und Deckelchip gebildet sein und eine zur Implementierung der vorliegenden Erfindung erforderliche Kanalstruktur oder zur Parallelisierung eine Mehrzahl entsprechender Kanalstrukturen, die sternförmig auf der Scheibe angeordnet sind, aufweisen.In embodiments of the present invention, the body itself may be formed as a body of revolution, for example a disk, which is rotatable about an axis of rotation. Such a rotary body can likewise be formed from substrate and cover chip and have a channel structure required for implementing the present invention or for parallelization a plurality of corresponding channel structures which are arranged in a star shape on the pane.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Kanalstruktur einen Auslasskanal aufweisen, der mit der Kammer fluidisch verbunden ist und eine Siphonstruktur aufweist, die in einem gegebenen zentrifugalen Kraftfeld zu einer definierten Füllhöhe der flüssigen Probe in der Kammer führt. Dadurch ist es möglich, insbesondere bei Verfahren, bei denen nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten einer Erfassungsstruktur zugeführt werden sollen, ein Austrocknen der Erfassungsstruktur sicher zu vermeiden.According to embodiments of the present invention, the channel structure may include an outlet channel fluidly connected to the chamber and having a siphon structure which in a given centrifugal force field results in a defined fill level of the liquid sample in the chamber. This makes it possible, especially in processes in which successively different liquids are to be supplied to a detection structure, to reliably avoid drying out of the detection structure.
Unter einer Siphon-Struktur ist im Allgemeinen eine dem Schwerefeld, im Fall der vorliegenden Erfindung dem Zentrifugalfeld, ausgesetzte Struktur zu verstehen, welche ein Reservoir und einen Verbindungskanal umfasst, dessen eines Ende an das Reservoir angeschlossen ist und dessen anderes Ende einen Auslass aufweist. Das System ist mit einer Flüssigkeit zumindest partiell gefüllt.A siphon structure is generally understood to mean a structure subjected to the gravitational field, in the case of the present invention the centrifugal field, comprising a reservoir and a connecting channel, one end of which is connected to the reservoir and the other end of which has an outlet. The system is at least partially filled with a liquid.
Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren strebt das System nun einen hydrostatischen Gleichgewichtszustand an, bei welchem alle Menisken die gleiche Position in Richtung des Kraftfeldes einnehmen. Ist der Auslasskanal so ausge- bildet, dass er sich nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren vollständig mit Flüssigkeit befüllt, fließt, wenn die Position des Auslasses unter dem Flüssigkeitspegel im hydrostatischen Gleichgewicht liegt, solange Flüssigkeit aus dem Auslass, bis der Flüssigkeitspegel im Reservoir auf der Höhe des Auslasses liegt. In der Sanitärtechnik wirkt die durchgehende Flüssigkeitssäule des Verbindungskanals als Geruchsstopp, welcher auch durch das Nachspülen geruchsdicht bleibt.According to the principle of communicating tubes, the system now aims for a hydrostatic equilibrium state, in which all menisci take the same position in the direction of the force field. If the exhaust duct is so forms that it completely filled with liquid according to the principle of communicating tubes, flows when the position of the outlet is below the liquid level in the hydrostatic equilibrium, as long as liquid from the outlet until the liquid level in the reservoir is at the level of the outlet. In sanitary engineering, the continuous liquid column of the connecting channel acts as an odor stop, which remains odor-proof even after rinsing.
Sobald der Verbindungskanal vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, kann der Flüssigkeitspegel auch unabhängig vom Verlauf dieses Verbindungskanals allein durch die Höhe seines Auslasses eingestellt werden. Durch Absenken des Auslasses unterhalb des Reservoirbodens wird das Reservoir solange entleert, wie die kontinuierliche Flüssigkeitssäule nicht unterbrochen wird. Befindet sich der Anschluss des Verbindungskanals beispielsweise am Boden des Reservoirs, so wird das Reservoir vollständig entleert.Once the connection channel is completely filled with liquid, the liquid level can also be adjusted independently of the course of this connection channel only by the height of its outlet. By lowering the outlet below the reservoir bottom, the reservoir is emptied as long as the continuous column of liquid is not interrupted. For example, if the connection of the connection channel is at the bottom of the reservoir, the reservoir is completely emptied.
Die vollständige Befüllung des Siphons kann entweder nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren durch Zuschütten in das Reservoir erfolgen, bis der gemeinsame Flüssigkeitspegel im hydrostatischen Gleichgewichtszustand oberhalb des höchsten Punktes des Verbindungskanals liegt, und/oder durch die kapillar getriebene Befüllung des Kanals.The complete filling of the siphon can be done either by the principle of communicating tubes by pouring into the reservoir until the common liquid level is in the hydrostatic equilibrium state above the highest point of the connecting channel, and / or by the capillary driven filling of the channel.
Als Siphon-Effekt soll hier allgemein die Regelung des Füllstandes in einem Reservoir durch den Verlauf und die Position des Verbindungskanals nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren aufgefasst werden.As a siphon effect, the regulation of the filling level in a reservoir by the course and the position of the connecting channel according to the principle of the communicating tubes should be understood here in general.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Erfassungsstruktur eine Sensorstruktur aufweisen, die ein oder mehrere Sensorbereiche umfasst, die auf eine im Bereich derselben befindliche Probe ansprechen, um Rückschlüsse auf Eigenschaften bzw. Bestandteile der Proben zu ermöglichen. Beispiele für solche Sensorstrukturen sind Sauerstoff-Sensoren, C02-Sensoren oder Biosensoren, die Biomoleküle verwenden, um Eigenschaften einer Probe nachzuweisen.In alternative embodiments of the invention, the detection structure may comprise a sensor structure comprising one or more sensor regions responsive to a sample located in the region thereof to enable conclusions to be drawn about properties of the samples. Examples of such sensor structures are Oxygen sensors, C0 2 sensors or biosensors that use biomolecules to detect properties of a sample.
Die Kanalstrukturen sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das Zusammenspiel aus Zentrifugalkraft und Kapillarkraft mit synchronisierter Probenzugabe und Reagenzienzugabe beispielsweise eine vollständige Prozessierung eines Mikroarray-Experiments ermöglicht. Dabei kann eine Siphon- Struktur im zentrifugalen Kraftfeld einen durch den Zeitverlauf der Drehfrequenz und die zu bestimmten Zeitpunkten zugegebenen Flüssigkeitsvolumina definierten Verlauf der Füllhöhe erzeugen, worüber sich die Reaktionsbedingungen in der Reaktionskammer präzise kontrollieren lassen. Insbeson- dere kann bei der Durchführung eines Mikroarray-Experiments die Siphon-Struktur bewirken, dass der Reaktionsraum stets zumindest so weit mit Flüssigkeit gefüllt ist, dass das Mikroarray von dieser bedeckt ist, wenn nacheinander die Probe, eine Waschflüssigkeit und Reagenzien in den Reakti- onsraum zugeführt werden. Somit kann das Mikroarray unter durchgängig kontrollierbaren fluidischen Bedingungen prozessiert werden, da im zentrifugalen Kraftfeld der Siphon- Kanal die Füllhöhe in der Reaktionskammer festlegt.The channel structures are preferably designed such that the interaction of centrifugal force and capillary force with synchronized sample addition and reagent addition, for example, allows complete processing of a microarray experiment. In this case, a siphon structure in the centrifugal force field can generate a course of the filling level defined by the time curve of the rotational frequency and the liquid volumes added at specific times, whereby the reaction conditions in the reaction chamber can be precisely controlled. In particular, when carrying out a microarray experiment, the siphon structure can cause the reaction space to always be filled with liquid at least to such an extent that the microarray is covered by the latter when successively introducing the sample, a washing liquid and reagents into the reactor. be supplied onsraum. Thus, the microarray can be processed under continuously controllable fluidic conditions, since in the centrifugal force field of the siphon channel determines the filling level in the reaction chamber.
Die vorliegende Erfindung besteht gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen somit in einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Prozessieren von Mikroarrays auf einem vorzugsweise planaren Substrat, wobei die Erfindung die Integration der im Folgenden beispielhaft beschriebenen, typischen Schritte eines mikroarray-basierten Experiments ermöglicht. Diese Schritte umfassen die Probenzugabe in eine Reaktionskammer und das Blockieren derselben, das gegebenenfalls mehrfache Waschen der Reaktionskammer und damit des Mikroarrays, den Nachweis, d. h. das Färben, des Mikroarrays und ein folgendes, wiederum gegebenenfalls mehrfaches Waschen des Mikroarrays. Auch das Auslesen des Mikroarrays, das auf jede beliebige herkömmliche Weise erfolgen kann, könnte integriert werden. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine nahezu vollständige Integration aller notwendigen Schritte zum Prozessieren eines mikroarray-basierten Experiments, wobei die Reduktion der manuellen Arbeitsschritte auch dabei hilft, die Reproduzierbarkeit von mikroarray-basierten Experimenten zu erhöhen. Der Körper, in dem die fluidischen Strukturen gebildet sind, der vorzugsweise aus einem Substrat und einem Deckel besteht, lässt sich einfach und kostengünstig herstellen und kann deshalb als Einwegartikel eingesetzt werden.The present invention thus consists, in accordance with preferred exemplary embodiments, of an apparatus and a method for processing microarrays on a preferably planar substrate, the invention making it possible to integrate the typical steps of a microarray-based experiment described below by way of example. These steps include adding the sample to a reaction chamber and blocking it, optionally washing the reaction chamber multiple times, and thus the microarray, detecting, ie, staining, the microarray and subsequently washing the microarray again, optionally several times. Also reading the microarray, which can be done in any conventional manner, could be integrated. Thus, the present invention allows for nearly complete integration of all necessary steps to process a microarray-based experiment, with the reduction in manual operations also helping to increase the reproducibility of microarray-based experiments. The body in which the fluidic structures are formed, which preferably consists of a substrate and a lid, can be produced simply and inexpensively and can therefore be used as a disposable item.
Bei einem Pilot-Experiment hatte die Reaktionskämmer ein Volumen von ca. 50 μL, wobei das Gesamtvolumen bestehend aus Probe, Reagenzien und Puffern bei dem durchgeführten Experiment bei lediglich 500 μL lag. Dies stellt generell eine erhebliche Reduktion des Verbrauchs der zum Teil sehr teueren Flüssigkeiten dar. Diese Volumina sind im Gegensatz zu Experimenten, die an einer freien, also nicht durch eine Kammer eingegrenzten Mikroarrayoberflache durchgeführt werden, sehr gering und ließen sich durch eine gezielte Optimierung der Kammerform noch erheblich reduzieren.In a pilot experiment, the reaction chambers had a volume of about 50 μL, the total volume consisting of sample, reagents and buffers in the experiment carried out was only 500 μL. This generally represents a considerable reduction in the consumption of the sometimes very expensive liquids. These volumes, in contrast to experiments that are carried out on a free, so not limited by a chamber microarray surface, very low and could be through a targeted optimization of the chamber shape to reduce considerably.
Bedingt durch die optimierten hydrodynamischen Bedingungen, die durch die Anwendung der Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erreicht werden kann und die alternativ oder unterstützend durch eine mäanderförmige Reaktionskammer erreicht werden können, ließ sich bei dem Pilot-Experiment die Prozesszeit auf 45 Minuten senken. Dabei entfällt der weitaus größte Teil dieser Zeit auf die Reaktion / Inkubation zwischen der anfänglich eingebrachten Probe mit der Erfassungsstruktur, während ein Waschschritte in weniger als einer Minute beendet ist. Generell ist eine weitere, drastische Beschleunigung der Prozesszeit und auch eine erhebliche Reduzierung des Kammervolumens über dem Mikroarray denkbar. Die erfindungsgemäß verwendbare geschlossene Reaktionskammer ermöglicht im Vergleich zu einem nicht gedeckelten Substrat, dass das mikroarray-basierte Experiment permanent in einer kontrollierten Umgebung abläuft, was insbesondere verhindern kann, dass die Mikroarray-Spots austrocknen. Insbesondere ermöglicht das „Umrühren" in dem Reaktionsraum durch das Rotieren mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor eine verkürzte Prozessdauer, während die fluidische „Siphon-Struktur" eine kontrollierte Umgebung liefert.Due to the optimized hydrodynamic conditions, which can be achieved by applying the rotation with a time-varying rotary vector and can be achieved alternatively or supportive by a meandering reaction chamber, in the pilot experiment, the process time could be reduced to 45 minutes. By far the largest part of this time is spent on the reaction / incubation between the initially introduced sample and the detection structure, while a washing step is completed in less than a minute. In general, a further drastic acceleration of the process time and also a considerable reduction of the chamber volume over the microarray is conceivable. The closed reaction chamber useful in the present invention allows the microarray-based experiment to run permanently in a controlled environment compared to a non-capped substrate, which in particular can prevent the microarray spots from drying out. In particular, the "agitation" in the reaction space by rotating with a time-varying rotational vector allows a shortened process time, while the fluidic "siphon" structure provides a controlled environment.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 und Fig. 2 schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei Fig. 2 schematisch eine Querschnittansicht entlang der Linie X-X von Fig. 1 darstellt.1 and 2 schematically show a plan view and a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a device according to the invention, wherein FIG. 2 schematically represents a cross-sectional view along the line X-X of FIG.
Fig. 3 bis 5 schematische Ausführungsbeispiele von Kanalstrukturen von Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;3 to 5 are schematic embodiments of channel structures of embodiments of a device according to the invention;
Fig. 6a und 6b schematische Querschnittansichten zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;6a and 6b are schematic cross-sectional views for illustrating an embodiment of the method according to the invention;
Fig. 7 die Ergebnisse eines unter Verwendung der Erfin- düng durchgeführten Experiments;Fig. 7 shows the results of an experiment conducted using the invention;
Fig. 8 Beispiele für zeitlich veränderliche Drehvektoren, die erfindungsgemäß verwendet werden können;8 shows examples of temporally variable rotation vectors that can be used according to the invention;
Fig. 9 ein beispielhaftes Frequenzprotokoll zur Durchführung eines Mikroarray-Experiments und der dabei auftretenden Füllstandshöhe in der Kammer. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun zunächst anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.9 shows an exemplary frequency protocol for carrying out a microarray experiment and the resulting fill level in the chamber. An embodiment of the device according to the invention will now be explained first with reference to FIGS. 1 and 2.
Die Vorrichtung umfasst einen Rotor 10, der mit einer Welle 12 verbunden ist, die durch einen Drehmotor 14 antreibbar ist. Der Rotor 10 kann auf beliebige Weise beispielsweise auf einem Stufenabschnitt der Welle 12 angebracht sein. DerThe device comprises a rotor 10 which is connected to a shaft 12 which is drivable by a rotary motor 14. The rotor 10 may be mounted in any manner, for example on a step portion of the shaft 12. Of the
Drehmotor 14 ist mit einer Steuerung 16 versehen, die ausgelegt ist, um den Rotor auf die erforderliche Weise in Rotation zu versetzen.Rotary motor 14 is provided with a controller 16 which is designed to set the rotor in the required manner in rotation.
Der Rotor umfasst vier Aufnahmebereiche 20 zum Aufnehmen von erfindungsgemäßen Fluidstrukturen enthaltenden Module 22. Die Module bestehen bei dem gezeigten Ausführungsbei- spiel aus einem Substrat 24 und einem Deckel 26, wobei Fluidstrukturen in dem Substrat 24 gebildet sind. Die Fluidstrukturen umfassen, wie in Fig. 1 gezeigt ist und später Bezug nehmend auf Fig. 3 näher erläutert wird, eine Reaktionskammer 30, einen Auslasskanal 32 mit einer zentri- fugalen Siphon-Struktur 32, einen Abfallreservoirbereich 34 sowie zwei Einlasskanäle 36 und 38. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fluidstrukturen in dem Substrat 24 strukturiert. Alternativ könnten die Fluidstrukturen auch in dem Deckel oder in Deckel und Substrat struktu- riert sein. Durch die Kombination von Substrat und Deckel entsteht eine Anordnung, die einen Reaktionsraum und Kanalsysteme für die Zu- und Abfuhr von Proben bzw. Analyten, Reagenzien und/oder Waschflüssigkeiten zu der Reaktionskammer enthält.The rotor comprises four receiving regions 20 for accommodating modules 22 containing fluid structures according to the invention. In the embodiment shown, the modules consist of a substrate 24 and a cover 26, wherein fluid structures are formed in the substrate 24. The fluid structures comprise, as shown in FIG. 1 and later explained in more detail with reference to FIG. 3, a reaction chamber 30, an outlet channel 32 with a centrifuge siphon structure 32, a waste reservoir region 34 and two inlet channels 36 and 38. In the embodiment shown, the fluid structures in the substrate 24 are structured. Alternatively, the fluid structures could also be structured in the lid or in the lid and substrate. The combination of substrate and lid creates an arrangement which contains a reaction space and channel systems for the supply and removal of samples or analytes, reagents and / or washing liquids to the reaction chamber.
Durch die Steuereinrichtung 16 wird der Drehmotor 14 derart gesteuert, dass der Rotor, und somit die Module 22, mit einer Rotation beaufschlagt werden, um die erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.By the control device 16, the rotary motor 14 is controlled such that the rotor, and thus the modules 22, are subjected to a rotation in order to carry out the method according to the invention.
Beispielhafte Kanalstrukturen werden nun Bezug nehmend auf die Fig. 3 und 4 beschrieben. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die fluidischen Strukturen bzw. Kanalstruk- turen dabei gebildet, indem ein planares Substrat verwendet ist, auf dem das Mikroarray immobilisiert ist, während ein Deckelchip strukturiert ist, um die fluidischen Strukturen zu realisieren.Exemplary channel structures will now be described with reference to FIGS. 3 and 4. In preferred exemplary embodiments, the fluidic structures or channel structures are In this case, a planar substrate is used, on which the microarray is immobilized, while a lid chip is structured in order to realize the fluidic structures.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel umfassen die Flui- dikstrukturen einen Einlassbereich 40 für eine Probe bzw. einen Analyt und einen Einlassbereich 42 für Reagenzien. Der Einlassbereich 40 ist über einen Einlasskanal 44 mit einer Reaktionskammer 46 verbunden, während der Einlassbereich 42 über einen Einlasskanal 48 mit der Reaktionskammer 46 verbunden ist. Die Einlasskanäle 44 und 48 sind bezüglich eines zentrifugalen Kraftfeldes (siehe Pfeil Fv in Fig. 3) radial innen an die Reaktionskammer 46 angeschlos- sen. Radial außen ist an die Reaktionskammer ein Auslasskanal 50 angeschlossen, der in diesem Anwendungsbeispiel eine derartige Siphonstruktur 52 aufweist, die zunächst aus einem in Richtung des zentrifugalen Kraftfeldes radial nach außen verlaufenden Kanalabschnitt 52a, dann einem gegen das Kraftfeld radial nach innen verlaufenden Kanalabschnitt 52b und dann wiederum aus einem mit dem Kraftfeld radial nach außen verlaufenden Kanalabschnitt 52c gebildet ist. Die radiale Position des Auslasses der Kanalstruktur liegt unterhalb des Bodens der Reaktionskammer 46, also Δr < 0. Eine Entlüftung 54 ist für die Siphonstruktur vorgesehen. Die Entlüftung 54 kann gegebenenfalls komplett oder abschnittsweise hydrophobisiert werden. Der Auslasskanal 50 mündet in ein Abfallreservoir 56. Die Entlüftung 54 ist im Abfallreservoir 56 vorgesehen. Am Ende des Auslasskanals 50 kann optional ein hydrophobisierter Abschnitt 57 vorgesehen sein.In the example shown in FIG. 3, the fluidic structures comprise an inlet region 40 for a sample or an analyte and an inlet region 42 for reagents. The inlet region 40 is connected to a reaction chamber 46 via an inlet channel 44, while the inlet region 42 is connected to the reaction chamber 46 via an inlet channel 48. The inlet channels 44 and 48 are radially inwardly connected to the reaction chamber 46 with respect to a centrifugal force field (see arrow F v in FIG. 3). Radially outward, an outlet channel 50 is connected to the reaction chamber, which in this application example has such a siphon structure 52, which initially consists of a radially outwardly extending channel section 52a in the direction of the centrifugal force field, then a channel section 52b running radially inwardly against the force field, and then in turn, is formed from a channel section 52c extending radially outward with the force field. The radial position of the outlet of the channel structure is below the bottom of the reaction chamber 46, ie Δr <0. A vent 54 is provided for the siphon structure. The vent 54 may optionally be completely or partially hydrophobized. The outlet channel 50 opens into a waste reservoir 56. The vent 54 is provided in the waste reservoir 56. Optionally, a hydrophobized section 57 may be provided at the end of the outlet channel 50.
Die Siphon-Struktur 52 ist ausgelegt, um bei einem gegebenen zentrifugalen Kraftfeld, das an einem bestimmten Punkt durch die Rotationsgeschwindigkeit, die radiale Position sowie die Dichte der verwendeten Flüssigkeiten festgelegt ist, bei der anfänglichen Befüllung einen definierten Flüssigkeitspegel in der Reaktionskammer 46 zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Struktur derart ausgelegt, dass die Reaktionskaπuner 46 in dieser Phase vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist.The siphon structure 52 is designed to generate a defined liquid level in the reaction chamber 46 at a given centrifugal force field set at a particular point by the rotational speed, radial position and density of the fluids used upon initial charging. Preferably, the structure is designed such that the reaction chamber 46 is completely filled with liquid in this phase.
Die Einlassbereiche 40 und 42 weisen Einlassbereichsöffnun- gen 40a und 42a auf. Beim Befüllvorgang der beiden Einlasse dient der jeweils inaktive Kanal als Entlüftung. In Fig. 4 ist eine alternative Struktur gezeigt, bei der alle Flüssigkeiten durch einen einzigen Kanal 84 zugeführt werden, was aber die Entlüftung erschwert. Der Kanal 84 ist an seinem radial inneren Ende mit einem Einlassbereich 82 verbunden, der eine Einlassbereichsöffnung 82a aufweist, und an seinem radial äußeren Ende mit einer Kammer 80 verbunden.The inlet regions 40 and 42 have inlet area openings 40a and 42a. When filling the two inlets, the respective inactive channel serves as a vent. In Fig. 4, an alternative structure is shown, in which all liquids are supplied through a single channel 84, but this complicates the venting. The channel 84 is connected at its radially inner end to an inlet region 82 which has an inlet region opening 82a and to a chamber 80 at its radially outer end.
In den Ausführungsbeispielen von Figuren 3 und 4 entspricht die Koordinate Δr der radialen Höhendifferenz relativ zu Auslass der Kammer, in der eine Erfassungsstruktur 60, beispielsweise eine Mikroarray, vorgesehen ist. Wird nun die zu Anfang leere Kammer mit der Erfassungsstruktur mit einem Volumen gefüllt, sodass der Flüssigkeitspegel im Gleichgewichtszustand des Zentrifugalfeldes unterhalb von der radial innersten Position des Siphon-Kanals liegt, so bleibt dieser Flüssigkeitspegel konstant bei Δr > 0, unab- hängig von der Drehfrequenz. In dieser Phase wird in diesem Ausführungsbeispiel die Probe mit dem Mikroarray im Schüttelmodus inkubiert. Ist der Siphon-Kanal hingegen vollständig bis zu seinem Auslass mit Flüssigkeit gefüllt, so läuft die Flüssigkeit aus der Kammer während der Zentrifugation kontinuierlich in den Ablauf. Eine solche Befüllung kann beispielsweise durch die Kapillarkraft bei kleinen Drehzahlen oder bei ruhender Struktur erfolgen, oder durch Zugabe eines Flüssigkeitsvolumens, welches (temporär) einen Gleichgewichts-Flüssigkeitspegel oberhalb von dem radial innersten Punkt des Siphonkanals rmax erzwingt.In the exemplary embodiments of FIGS. 3 and 4, the coordinate Δr corresponds to the radial height difference relative to the outlet of the chamber, in which a detection structure 60, for example a microarray, is provided. If the initially empty chamber with the detection structure is filled with a volume such that the liquid level in the equilibrium state of the centrifugal field is below the radially innermost position of the siphon channel, this liquid level remains constant at Δr> 0, independent of the rotational frequency , In this phase, the sample is incubated with the microarray in the shaking mode in this embodiment. On the other hand, if the siphon channel is completely filled with fluid up to its outlet, the fluid from the chamber will continuously flow into the outlet during centrifugation. Such filling can be, for example, by the capillary force at low speeds or at rest structure take place, or by adding a volume of liquid that forces (temporary) an equilibrium liquid level above the radially innermost point of the Siphonkanals r max.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Kanalstrukturen in dem Deckelchip gebildet, wobei der Deckelchip derart mit einem Mikroarray-Substrat zusammengeführt wird, dass in der Reaktionskammer das Mikroarray 60 angeordnet ist. Die Wände der Kanalstrukturen weisen vorzugsweise hydrophile Eigenschaften auf. Der Einlassbereich 40 und der Einlasskanal 44 dienen dazu, Probenflüssigkeit durch Zentrifugalkraft auf der rotierenden Anordnung dem .Reaktionsraum 46 zuzuführen. Der Einlassbereich 42 und der Einlasskanal 48 dienen dazu, Reagenzien durch die Zentrifugalkraft auf der rotierenden Anordnung dem Reaktionsraum 46 zuzuführen. Der Auslasskanal 50 dient dazu, die zuerst zugeführte Probe bei beliebig hohen Drehzahlen und während des Schüttelmodus in der Kammer zu belassen und so einen konstanten Flüssigkeitspegel in der Reaktionskammer 46 einzustellen. Vorzugsweise ist die Reaktionskammer 46 in diese Phase stets vollständig mit Flüssigkeit gefüllt und es wird somit ein Austrocknen der Reaktionskammer und somit des darin angeordneten Mikroarrays zuverlässig vermieden. Bereits in der Reaktionskammer 46 befindliche Flüssigkeit wird durch die nachfolgend zugeführten Flüssigkeitsvolumina in den Abfallbereich verdrängt. Die Einlassbereiche 40 und 42 weisen die Öffnungen 40a und 42a entweder in dem Deckelchip oder in dem Substrat auf, um ein Befüllen derselben mit den jeweiligen Flüssigkeiten zu ermöglichen, entweder manuell oder automatisch. Ferner umfasst die optional hydrophobisierte Entlüftung 54 eine Öffnung entweder in dem Deckelchip oder dem Substrat, um eine Entlüftung zu ermöglichen.In preferred embodiments of the invention, the channel structures are formed in the lid chip, wherein the Lid chip is so merged with a microarray substrate, that in the reaction chamber, the microarray 60 is arranged. The walls of the channel structures preferably have hydrophilic properties. The inlet portion 40 and the inlet channel 44 serve to supply sample liquid to the reaction space 46 by centrifugal force on the rotating assembly. The inlet region 42 and the inlet channel 48 serve to supply reagents to the reaction space 46 by the centrifugal force on the rotating assembly. The outlet channel 50 serves to leave the first supplied sample at arbitrarily high speeds and during the shaking mode in the chamber and so to set a constant liquid level in the reaction chamber 46. Preferably, the reaction chamber 46 is always completely filled with liquid in this phase and thus drying out of the reaction chamber and thus of the microarray arranged therein is reliably prevented. Already in the reaction chamber 46 located liquid is displaced by the subsequently supplied liquid volumes in the waste area. The inlet regions 40 and 42 have the openings 40a and 42a either in the lid chip or in the substrate to allow them to be filled with the respective liquids, either manually or automatically. Further, the optionally hydrophobized vent 54 includes an opening in either the lid chip or the substrate to allow venting.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand des Durchführens eines Mikroarray- Experiments beschrieben.An embodiment of a method according to the invention will now be described by performing a microarray experiment.
Dabei wird zunächst eine Probenflüssigkeit, d.h. ein Ana- lyt, in die Reaktionskämmer 46 eingebracht, indem der Einlassbereich 40 mit der Probenflüssigkeit befüllt und gleichzeitig oder nachfolgend die Kanalstruktur (beispielsweise durch den Drehmotor 14 mit der zugeordneten Steuereinrichtung 16, Fig. 2) mit einer geeigneten Rotation beaufschlagt wird, um durch die Zentrifugalkraft Fx, und optional auch durch eine Kapillarkraft die Flüssigkeit durch den Einlasskanal 44 in die Reaktionskaminer 46 einzubringen. Das eingebrachte Volumen ist so gewählt, dass sich über die Zentrifugalkraft im hydrostatischen Gleichgewicht zunächst ein Flüssigkeitspegel oberhalb der Erfassungsstruktur, aber unterhalb von rmax einstellt, sodass sich die Reaktionskammer noch nicht durch den Siphon zentrifugal entleeren kann.In this case, first of all a sample liquid, ie an analyte, is introduced into the reaction chambers 46 by filling the inlet region 40 with the sample liquid and simultaneously or subsequently with the channel structure (for example by the rotary motor 14 with the associated control device 16, FIG. 2) suitable rotation is acted upon by the centrifugal force F x , and optionally also by a capillary force to introduce the liquid through the inlet channel 44 in the reaction chamber 46. The introduced volume is chosen so that the centrifugal force in the hydrostatic equilibrium initially sets a liquid level above the detection structure, but below r max , so that the reaction chamber can not yet be centrifugally emptied by the siphon.
Nach dem Befüllen der Reaktionskammer wird nun diese mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor beaufschlagt, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen, ggf. unterbrochen durch Ruhephasen mit konstantem oder verschwindendem Drehvektor, aufweist. Durch die Drehung der Anordnung mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erzeugen hydrodynamische Inertialkräfte innerhalb der Reaktionskammer Konvektionsströme der dort befindlichen Flüssigkeit. Somit kann die Zeitdauer für die Durchmischung von komplementären Molekülen in der Probe an die Fängermoleküle durch ein gezieltes „Umrühren" der in der Reaktionskammer 46 befindlichen Flüssigkeit verringert werden. Aufgrund der Konvektionsströme werden auch Moleküle, die im stationären Fall weit von den Fängermolekülen entfernt sein können, nahe an den immobilisierten und jeweils komplementären Fängermolekülen vorbeigeführt. Ferner werden nichtgebundene Reaktionspartner schnell von den Fängermolekülen entfernt.After filling the reaction chamber, it is then subjected to a time-variable rotary vector, which has a multiple acceleration and a multiple deceleration, possibly interrupted by resting phases with a constant or vanishing rotational vector. As a result of the rotation of the arrangement with a time-variable rotary vector, hydrodynamic inertial forces generate convection currents of the liquid located there within the reaction chamber. Thus, the time for mixing complementary molecules in the sample to the capture molecules can be reduced by deliberately "agitating" the liquid in the reaction chamber 46. Due to the convection currents, molecules that can be far away from the capture molecules in the steady state also become Close to the immobilized and complementary catcher molecules, non-bound reactants are rapidly removed from the capture molecules.
Nach einer für die Prozessierung des Mikroarrays ausreichenden Zeitdauer wird dann über den Einlassbereich 42 eine Waschflüssigkeit in die Reaktionskämmer 46 eingebracht, durch Zentrifugalkraft durch den Einlasskanal 48. Dadurch wird die in der Reaktionskammer 46 befindliche Probenflüs- sigkeit über den Auslasskanal 50 verdrängt und die Siphonstruktur zentrifugal oder durch die Kapillarkraft bei geeignet kleinem Zentrifugalfeld befüllt. Mit vollständig befülltem Siphon findet im Zentrifugalfeld eine kontinuierliche Entleerung der Reaktionskammer 46 statt.After sufficient time for the processing of the microarray, a washing liquid is then introduced into the reaction chambers 46 via the inlet region 42, and centrifugally through the inlet channel 48. The sample liquid in the reaction chamber 46 is thereby displaced via the outlet channel 50 and the siphon structure is centrifugally displaced or filled by the capillary force in a suitably small centrifugal field. With complete filled siphon takes place in the centrifugal field, a continuous emptying of the reaction chamber 46 instead.
Das Siphonprinzip ergibt auch, dass das neu eingeführte Volumen dem verdrängten Volumen entspricht. Um einen vollständigen Flüssigkeitsaustausch in der Reaktionskammer 46 zu gewährleisten muss das neu eingeführte Volumen damit mindestens dem Kammervolumen entsprechen. Unter laminaren Verhältnissen, welche in den sehr flachen Kammern typische sind und gerade die in dieser Schrift behandelten Durchmischungsprobleme verursachen, kann die Volumenverdrängung hydrodynamisch so ausgestaltet werden, dass das neu eingeführte nicht mit ausgespült wird. Im Idealfall findet in der Kammer 46 also ein vollständiger Volumenaustausch statt.The siphon principle also shows that the newly introduced volume corresponds to the displaced volume. In order to ensure a complete exchange of liquid in the reaction chamber 46, the newly introduced volume must thus at least correspond to the chamber volume. Under laminar conditions, which are typical in the very shallow chambers and just cause the mixing problems dealt with in this document, the volume displacement can be hydrodynamically designed so that the newly introduced is not flushed out with it. Ideally, a complete volume exchange takes place in the chamber 46.
Nach dem Zuführen der Waschflüssigkeit können über den Einlassbereich 42 und den Einlasskanal 48 unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft weitere Reagenzien, beispielsweise fluoreszenzmarkierte Nachweisantikörper, in die Reaktionskammer 46 eingebracht werden. Im Anschluss erfolgt wiederum ein Zuführen einer Waschflüssigkeit und deren zentrifugal getriebener Ausfluss durch den Siphon. Nachfolgend kann auf beliebige geeignete Weise eine Auswertung des Mikroarrays erfolgen.After the washing liquid has been supplied, further reagents, for example fluorescently labeled detection antibodies, can be introduced into the reaction chamber 46 via the inlet region 42 and the inlet channel 48 by utilizing the centrifugal force. This is followed by feeding a washing liquid and its centrifugally driven outflow through the siphon. Subsequently, an evaluation of the microarray can take place in any suitable manner.
Hinsichtlich der Kanalstrukturen bleibt festzuhalten, dass in Fig. 3 die Einlasskanäle 44 und 48 sowie der Auslasskanal 50 den wesentlichen Teil des hydrodynamischen Flusswi- derstandes der Gesamtstruktur darstellen.With regard to the channel structures, it should be noted that in FIG. 3, the inlet channels 44 and 48 as well as the outlet channel 50 represent the essential part of the hydrodynamic flow resistance of the overall structure.
In Fig. 5 ist schematisch eine Kanalstruktur gezeigt, deren Auslasskanal 70 eine alternative Siphon-Struktur 72 aufweist. Die Siphon-Struktur umfasst einen in Flussrichtung radial nach außen verlaufenden Abschnitt 70a und einen radial nach innen verlaufenden Abschnitt 70b, der in ein Abfallreservoir 76, das mit einer Entlüftungsöffnung 76a versehen ist, mündet. Diese im höchsten Punkt des Siphons -Tmax abgeschnittene Struktur basiert im Zentrifugalfeld direkt auf dem Prinzip der kommunizierenden Röhren. Im hydrostatischen Gleichgewicht stellt ein Flüssigkeitspegel Δr > 0 oberhalb von rmax die vollständige Befüllung sowie damit gleichzeitig auch die Festlegung des Gleichgewichts- Flüssigkeitspegel auf rmax sicher. Das Ende des Siphonkanals bei rmax liegt dabei vorzugsweise oberhalb der Erfassungsstruktur und gewährleistet damit eine vollständige Befüllung derselben, wie wiederum durch den Füllstand 58 ange- zeigt ist.FIG. 5 schematically shows a channel structure whose outlet channel 70 has an alternative siphon structure 72. The siphon structure includes a radially outwardly extending portion 70a and a radially inward portion 70b that terminates in a waste reservoir 76 provided with a vent 76a. These at the highest point of the siphon -T max truncated structure is based in the centrifugal field directly on the principle of communicating tubes. In hydrostatic equilibrium provides a liquid level .DELTA.R> 0 above r max complete filling and thus also the determination of the equilibrium liquid level to r max safe. The end of the siphon channel at r max is preferably above the detection structure and thus ensures complete filling thereof, as indicated again by the fill level 58.
Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren wurde ein Experiment durchgeführt, dessen Ablauf in den Fig. 6a und 6b schematisch dargestellt ist und dessen Ergebnisse in Fig. 7 gezeigt sind. Spezieller wurden zwei Experimente durchgeführt, wobei bei dem in Fig. 6a gezeigten Experiment ein Mikroarray-Substrat 90 verwendet wurde, in dem die Reaktionskammer 92 strukturiert ist und an dem das Mikroarray 94 immobilisiert ist. Als Substrat wurde dabei ein Polymersubstrat , und insbesondere ein Substrat aus COC (Cyclic Olefin Copolymer) verwendet.With the described apparatus and the described method an experiment was carried out, the sequence of which is shown schematically in FIGS. 6a and 6b and whose results are shown in FIG. More specifically, two experiments were performed, and in the experiment shown in Figure 6a, a microarray substrate 90 was used in which the reaction chamber 92 is patterned and on which the microarray 94 is immobilized. The substrate used was a polymer substrate, and in particular a substrate made of COC (cyclic olefin copolymer).
Bei dem Experiment gemäß Fig. 6b wurde ein nichtstrukturiertes Substrat und insbesondere ein PDMS-Substrat 96 (Polydimethylsiloxan-Substrat ) ohne Kanalstrukturen verwendet.In the experiment of FIG. 6b, a non-structured substrate, and in particular a PDMS substrate 96 (polydimethylsiloxane substrate) without channel structures was used.
Bei beiden Experimenten wurde BSA (Bovines Serum Albumin) unter Verwendung der gut dokumentierten EDC-NHS-Affinitäts- Ligandenkopplung an dem jeweiligen Substrat immobilisiert, um die Oberflächendichte der immobilisierten Fängermoleküle zu erhöhen.In both experiments, BSA (bovine serum albumin) was immobilized on the respective substrate using well-documented EDC-NHS affinity ligand coupling to increase the surface density of the immobilized capture molecules.
Die entsprechenden Mikroarray-Substrate sind unter Punkt 1 in den Fig. 6a und 6b gezeigt. Die Substrate wurden dann mit einem jeweiligen Deckel versehen, wobei gemäß Fig. 6a ein unstrukturierter Deckel 98 verwendet ist, während gemäß Fig. 6b eine Reaktionskammer 100 in den Deckel 102 struktu- riert ist. Dabei stellt der Deckel 98 einen PDMS-Deckel dar, während der Deckel 102 einen COC-Deckel darstellt. Nachfolgend wurde die Probe, die eine bekannte Zielkonzentration c (BSA) von Maus-Anti-BSA-Antikörpern aufweist, in die Reaktionskammer eingebracht, wie unter Punkt 2 der Fig. 6a und 6b zu sehen ist. Nachfolgend wurden Schaf-Anti-Maus- Cy3-Antikörper zugeführt, siehe Punkt 3 in Fig. 6a und 6b. Dabei werden die spezifischen Antigen-Antikörper-Komplexe gebildet. Nachfolgend erfolgt ein Waschschritt, woraufhin fluoreszierende Erfassungs-Antikörper 104 zugeführt werden, mit denen die genannten Komplexe markiert werden.The corresponding microarray substrates are shown at point 1 in Figs. 6a and 6b. The substrates were then provided with a respective cover, wherein, according to FIG. 6a, an unstructured cover 98 is used, while according to FIG. 6b a reaction chamber 100 is structured in the cover 102. is ruled. In this case, the lid 98 is a PDMS lid, while the lid 102 is a COC lid. Subsequently, the sample having a known target concentration c (BSA) of mouse anti-BSA antibodies was introduced into the reaction chamber, as seen at point 2 of Figs. 6a and 6b. Subsequently, sheep anti-mouse Cy3 antibodies were supplied, see item 3 in Figs. 6a and 6b. The specific antigen-antibody complexes are formed. This is followed by a washing step, whereupon fluorescent detection antibodies 104 are added, with which the said complexes are labeled.
Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt, wobei die Kurve 110 das COC-Mikroarray-Substrat mit Kanalstruktur betrifft, während die Kurve 112 das PDMS-Mikroarray- Substrat ohne Kanalstruktur betrifft. Fig. 7 zeigt, dass eine klare und reproduzierbare Korrelation für variierende Zielkonzentrationen CBSA und das resultierende Fluoreszenzsignal I über einem Arbeitsbereich von zumindest 3 Dekaden erhalten wird. Das gesamte Mikroarray-Experiment war nach 45 Minuten beendet, wobei alle Schritte vollständig automatisiert durchgeführt werden können.The results obtained are shown in Figure 7, where curve 110 relates to the COC microarray substrate with channel structure, while curve 112 relates to the PDMS microarray substrate without channel structure. Fig. 7 shows that a clear and reproducible correlation is obtained for varying target concentrations C BSA and the resulting fluorescence signal I over a working range of at least 3 decades. The entire microarray experiment was completed in 45 minutes, with all steps fully automated.
Mögliche Rotationsprotokolle zum Beaufschlagen der Kanal- strukturen mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und mehrfaches Abbremsen aufweist, sind in den Fig. 8a, 8b und 8c gezeigt. Fig. 8a zeigt ein Umschalten zwischen maximalen Rotationsfrequenzen fmax mit unterschiedlichem Drehsinn. Die maximale Rotations- frequenz kann beispielsweise 8 Hz betragen, während die maximale Rotationsbeschleunigung beispielsweise ±32 Hz/s betragen kann. Fig. 8b zeigt ein Umschalten zwischen einer Maximalrotationsfrequenz fmax und einer Rotationsfrequenz von 0, so dass das Rotationsprotokoll, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, unter Verwendung von Zentrifugen, die nur in einer Drehrichtung betreibbar sind, durchgeführt werden kann. Schließlich zeigt Fig. 8c ein Rotationsprotokoll, bei dem nach dem Beschleunigen auf die jeweilige maximale Rotationsfrequenz kurzfristig eine Rotation bei dieser maximalen Rotationsfrequenz stattfindet. Nicht gezeigt in den Fig. 8a bis 8c ist ein gelegentliches Aussetzen der Beschleunigungsphasen mit konstantem oder verschwindendem Drehvektor.Possible rotation protocols for applying the channel structures with a temporally variable rotation vector, which has multiple acceleration and multiple deceleration, are shown in FIGS. 8a, 8b and 8c. Fig. 8a shows a switching between maximum rotational frequencies f max with different rotational direction. For example, the maximum rotational frequency may be 8 Hz, while the maximum rotational acceleration may be ± 32 Hz / s, for example. Fig. 8b shows a switching between a maximum rotation frequency f max and a rotation frequency of 0, so that the rotation protocol as shown in Fig. 8 can be performed by using centrifuges operable in only one direction of rotation. Finally, Fig. 8c shows a rotation protocol in which after accelerating to the respective maximum Rotation frequency short-term rotation takes place at this maximum rotation frequency. Not shown in FIGS. 8a to 8c is an occasional suspension of the acceleration phases with a constant or vanishing rotational vector.
Fig. 9 zeigt beispielhaft die jeweiligen Frequenzprotokolle v(t)und Füllstandhöhen in der Reaktionskammer Δr als Funktion der Zeit t für die Siphons nach Art von Fig. 3 und Fig. 5 dargestellt. Bezüglich der Füllstandshöhen bezieht sich die Kurve 120 auf die Siphon-Struktur nach Fig. 3, während sich die Kurve 122 auf die Siphon-Struktur nach Fig. 5 bezieht. Die Zeitskala ist hier nicht linear skaliert, beispielsweise ist die Zeitspanne der Probeninkuba- tion im Schüttelmodus typischerweise mindestens um einen Faktor 10 länger als die nachfolgende Phase des Durchspü- lens vom Waschpuffer. In den Ruhephasen Δti und Δt2 werden Flüssigkeitsvolumina zugefügt.9 shows by way of example the respective frequency protocols v (t) and filling levels in the reaction chamber Δr as a function of the time t for the siphons in the manner of FIGS. 3 and 5. With regard to the level heights, the curve 120 refers to the siphon structure of FIG. 3, while the curve 122 relates to the siphon structure of FIG. 5. The time scale is not linearly scaled here, for example the sample incubation time in the shake mode is typically at least ten times longer than the subsequent phase of the wash buffer washout. In the resting phases .DELTA.ti and .DELTA.t 2 liquid volumes are added.
Wie der Kurve 120 in Fig. 9 zu entnehmen ist, ist die Mikroarray-Struktur nach Fig. 3 während des Schüttelmodus vollständig bedeckt. Auf die Zugabe eines nachfolgenden Volumens und der damit verbundenen vollständigen Befüllung des Siphons wird die Kammer während des Drehens kontinuier- lieh entleert, wie dem Abschnitt 120a der Kurve 120 zu entnehmen ist.As can be seen from the curve 120 in FIG. 9, the microarray structure according to FIG. 3 is completely covered during the shaking mode. Upon the addition of a subsequent volume and the associated complete filling of the siphon, the chamber is continuously lent during rotation, as shown in section 120a of the curve 120.
Abweichend von den erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispielen sind zahlreiche Variationen der vorliegenden Erfin- düng möglich. So könnte statt des beschriebenen scheibenförmigen Rotors 10 ein ebenfalls in Fig. 1 angedeuteter vierarmiger Rotor verwendet werden. Wiederum alternativ könnte der Körper, in dem die Fluidstrukturen gebildet sind, als Rotationskörper, beispielsweise als Scheibe ausgebildet sein, der um eine Rotationsachse desselben rotierbar ist. In diesem Körper könnten mehrere Kanalstrukturen radial sternförmig angeordnete sein, vergleichbar zu der Anordnung der Module 22 in dem Rotor 10. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung könnte statt der Siphon-Struktur des Auslasskanals darüber hinaus der Auslasskanal mit einer hydrophoben Barriere oder einem hohen Flusswiderstand versehen sein, die einen von einer Rotationsfrequenz abhängigen Flüssigkeitsschalter darstellen.Notwithstanding the illustrated preferred embodiments, numerous variations of the present invention are düng possible. Thus, instead of the described disk-shaped rotor 10, a four-armed rotor, also indicated in FIG. 1, could be used. Again alternatively, the body in which the fluid structures are formed could be formed as a rotational body, for example as a disc, which is rotatable about an axis of rotation thereof. In this body, a plurality of channel structures could be arranged radially star-shaped, comparable to the arrangement of the modules 22 in the rotor 10. In alternative embodiments of the present invention, instead of the siphon structure of the outlet channel, moreover, the outlet channel could be provided with a hydrophobic barrier or a high flow resistance, representing a rotational frequency dependent liquid switch.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung umfas- sen die Kanalstrukturen einen oder mehrere Einlasskanäle, um Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft in die Reaktionskammer zuzuführen. Alternativ könnte jedoch die Flüssigkeit auch auf beliebige andere Arten in die Reaktionskammer gelangen, beispielsweise über einen Zuführkanal unter Ausübung eines Drucks oder durch manuelle Befüllung, beispielsweise mit einem Pipetiersystem. Auch der Auslasskanal bzw. die Siphon-Struktur desselben stellt kein zwingendes Merkmal der Erfindung dar, insbesondere dann, wenn nicht mehrere Flüssigkeiten nacheinander durch die Reaktionskam- mer geführt werden sollen, sondern unter Verwendung einer Sensorstruktur lediglich die Eigenschaften einer Flüssigkeit erfasst werden sollen. Die Flüssigkeiten könnten auch durch eine Deckelöffnung oder zwischenzeitliches Entfernen des Deckels abgesaugt oder ausgespült werden.In preferred embodiments of the invention, the channel structures comprise one or more inlet channels to supply liquid by centrifugal force into the reaction chamber. Alternatively, however, the liquid could also enter the reaction chamber in any other ways, for example via a feed channel while exerting a pressure or by manual filling, for example with a pipetting system. The outlet channel or the siphon structure of the same does not constitute a mandatory feature of the invention, in particular if several liquids are not to be successively passed through the reaction chamber, but only the properties of a liquid are to be detected using a sensor structure. The liquids could also be sucked or flushed out through a lid opening or intermediate removal of the lid.
Zudem ließe sich der Mischvorgang noch durch die in der oben erwähnten Veröffentlichung M. Grumann u. a., „Batch- Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, Seiten 560 - 565, durch die Zugabe von (para-) magnetischen Beads in Kombination mit Permanentmagneten, die ortsfest entlang des Kammerorbits angeordnet sind, unterstützen. Speziell im Schüttel-Modus könnten auch Beads, deren Dichte von der entsprechenden Flüssigkeitsdichte abweicht, den Mischvorgang beschleunigen. Durch eine Zentrifugation bzw. einen entsprechend positionierten Magneten ließen sich die Beads wieder abschließend aus dem Detektionsfenster der Mikroarrays entfernt werden. Der Rotationsantrieb kann beispielsweise entworfen sein, um PC-gesteuert ein Frequenzprotokoll durchzuführen, um einen zeitabhängiges Zentrifugalfeld zu erzeugen, um für die einzelnen, durchzuführenden Schritte die Flussraten und den zeitlichen Ablauf exakt zu steuern. Eine Steuersoftware kann auch beispielsweise einen oder mehrere Dispenser steuern, welche bei ruhendem oder auch bei entsprechender Synchronisation bei rotierendem Substrat die Reagenzien auf die Einlasse aufgeben. Beispielsweise durch eine Saugvor- richtung ließe sich ebenfalls das Abführen der Flüssigkeiten automatisieren.In addition, the mixing process could be further improved by the (para) magnetic in the above-mentioned publication M. Grumann et al., "Batch Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, pages 560-565 Beads in combination with permanent magnets, which are fixedly arranged along the chamber orbit, assist In particular in the shaking mode, beads whose density differs from the corresponding liquid density could also accelerate the mixing process by means of a centrifugation or a correspondingly positioned magnet finally be removed from the detection window of the microarrays. For example, the rotary actuator may be designed to perform a frequency-controlled PC-controlled protocol to generate a time-dependent centrifugal field to precisely control flow rates and timing for the individual steps to be performed. A control software can also control, for example, one or more dispensers, which give the reagents to the inlets at rest or even with appropriate synchronization with a rotating substrate. For example, by a suction device could also automate the removal of fluids.
Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren, die insbesondere geeignet sind, um Mikroarray- Experimente auf eine zunehmend automatisierte Weise durchzuführen. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, Probenflüssigkeit und die darin enthaltenen Moleküle effizient Fängermolekülen des Mikroarrays zuzuführen und während des gesamten Experiments zu verhin- dern, dass das Mikroarray austrocknet. Dadurch können zuverlässige, reproduzierbare Ergebnisse bei nur sehr geringen Totvolumen und hoher Sensitivität erhalten werden. Insbesondere können durch eine Kammer mit sehr geringem Volumen und ebenfalls sehr geringen Totvolumina in den Zuführungen die Geschwindigkeit und Sensitivität der Prozessierung verbessert werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere auch für den Einsatz in sogenannten „Lab-on-a-Disk"-Systemen, die eine flexible Plattform für eine vollständig integrierte und schnelle Verarbeitung von Experimenten darstellen.The present invention thus provides apparatuses and methods that are particularly suitable for performing microarray experiments in an increasingly automated manner. In particular, the present invention provides a way to efficiently deliver sample liquid and the molecules contained therein capture molecules of the microarray and to prevent during the entire experiment that the microarray dries out. As a result, reliable, reproducible results can be obtained with only a very small dead volume and high sensitivity. In particular, the speed and sensitivity of the processing can be improved by a chamber with very low volume and also very low dead volumes in the feeders. The present invention is also particularly suitable for use in so-called "lab-on-a-disk" systems, which provide a flexible platform for fully integrated and fast processing of experiments.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung von Mikroarray-Experimenten mit einem reduzierten Zeitaufwand, einer schnellen und homogenen Reaktion, einem automatisier- ten Waschvorgang, einem reduzierten Verbrauch von Probe und Reagenzien, sowie einer integrierten Abfallhandhabung. Durch die Elimination von ungesteuerten Trocknungsschritten durch die Siphon-Struktur kann ferner die Empfindlichkeit des Mikroarray-Experiments erhöht werden. Auf diese Weise wird die Verwendung getrennter Vorrichtungen, wie Objektträger-Wascheinrichtungen und dergleichen obsolet und Handhabungsschritte werden automatisiert. Schließlich ermöglicht die Symmetrie des Rotors bzw. des Rotationskörpers potentiell, dass mehrere Mikroarray-Experimente parallel durchgeführt werden.The present invention enables microarray experiments to be carried out with reduced time, a fast and homogeneous reaction, an automated washing process, a reduced consumption of sample and reagents, and an integrated waste handling. The elimination of uncontrolled drying steps by the siphon structure also allows the sensitivity of the microarray experiment. In this way, the use of separate devices such as slide cleaners and the like becomes obsolete and handling steps are automated. Finally, the symmetry of the rotor or body of revolution potentially allows multiple microarray experiments to be performed in parallel.
Erfindungsgemäß ist die Kammer vorzugsweise ausgebildet, um vollständig, d.h. ohne Gaseinschluss, mit der Probe befüllt zu werden. Zu diesem Zweck kann die Kammer vollständig verschließbar sein oder mit Ausnahme von Zulaufkanal undAccording to the invention, the chamber is preferably designed to be completely, i. without gas inclusion, to be filled with the sample. For this purpose, the chamber may be completely closed or with the exception of inlet channel and
Ablaufkanal vollständig geschlossen sein. Die vorliegendeDrain channel be completely closed. The present
Erfindung ermöglicht dabei selbst bei vollständig gefüllter Kammer und sehr kleinen Probenvolumina ein effizientesInvention allows an efficient even with completely filled chamber and very small sample volumes
Vorbeiführen der Probe an einer Erfassungsstruktur. Passing the sample past a detection structure.
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