DE102010003223B4

DE102010003223B4 - Vorrichtung zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge, Zentrifuge und Verfahren zum fluidischen Koppeln von Kavitäten

Info

Publication number: DE102010003223B4
Application number: DE102010003223.9A
Authority: DE
Inventors: Felix von Stetten; Marion Finkbeiner; Roland Zengerle; Nils Paust; Günter Roth
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: CN102905794A; CN102905794B; EP2536507A1; DE102010003223A1; WO2011117327A1; EP2536507B1; US9457359B2; US20130252796A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge weist in einer Stapelrichtung in einem Gehäuse mindestens zwei übereinander gestapelte Körper auf. Das Gehäuse ist ausgebildet ist, um in eine Halterung des Rotors der Zentrifuge eingesetzt zu werden. Bei einer bestimmungsgemäßen Aufnahme der Vorrichtung in dem Rotor der Zentrifuge, und bei einer Rotation des Rotors, ist ein Abstand eines der mindestens zwei Körper zu einer Rotationsachse des Rotors geringer, als ein Abstand eines anderen der mindestens zwei Körper zu der Rotationsachse des Rotors. Ein erster der mindestens zwei Körper weist zumindest eine erste und eine zweite Kavität auf und ein zweiter der mindestens zwei Körper weist zumindest eine erste Kavität auf. Die zwei Körper sind in dem Gehäuse beweglich zueinander angeordnet, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors, in einer ersten Phase die erste Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln und, in einer zweiten Phase, die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln.

Description

Hintergrund der Erfindung
Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge, beispielsweise einer Standardlaborzentrifuge. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zum fluidischen Koppeln von Kavitäten. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen eine Zentrifuge.
Die Durchführung (bio-)chemischer Prozesse erfordert die Handhabung von Flüssigkeiten. Dies erfolgt einerseits manuell mit Hilfe von Pipetten, Reaktionsgefäßen und weiteren Prozesshilfsmittel wie Säulen oder magnetischen Partikeln und Laborgeräten und andererseits automatisiert, gewöhnlich auf Basis von Pipettierrobotern oder anderer Spezialgeräte.
Sogenannte Lab-on-a-Chip(Labor auf einem Mikrobaustein)-Systeme haben eine Automatisierung einzelner Prozessschritte, eine vereinfachte Handhabung von Prozessflüssigkeiten sowie eine Entwicklung kostengünstiger kompakter Systeme als Ziel. Bei Lab-on-a-Chip Systemen steht eine Miniaturisierung im Vordergrund.
Meist handelt es sich bei den Lab-on-a-Chip Systemen um eine Anordnung die aus zwei Hauptkomponenten besteht. Typische Lab-on-a-Chip Systeme haben dabei eine passive Fluidikeinwegkartusche (auch Testträger genannt), welche Kanäle, Reaktionskammern sowie vorgelagerte Reagenzien enthält, und darüber hinaus ein aktives Instrument das Aktorikkomponenten sowie Detektions- und Steuereinheiten enthält. Dieses aktive Instrument ist in der Regel speziell auf die Anforderungen der Fluidikkartusche abgestimmt. Derartige Instrumente sind daher in de Entwicklung, Fertigung und Anschaffung mit hohen Kosten verbunden. Aus diesem Grund gibt es Bestrebungen(bio-)chemische Prozesse zu automatisieren, die ohne oder mit minimaler Instrumentierung auskommen. Beispiele hierfür sind Teststreifen (auch lateral Flowtest genannt). Derartige Ansätze haben oft den Nachteil, dass die hiermit automatisierbaren Prozesse nur wenige Schritte umfassen können und die Sensitivität dieser Verfahren begrenzt ist. Bei vielen (bio-)chemischen Prozessen (wie beispielsweise Synthese, Analyse und Aufreinigung) ist Zentrifugieren ein wesentlicher Bestandteil der Prozessierung. Eine durch das Zentrifugieren erzeugte Zentrifugalkraft wird dabei entweder zum Transport von Flüssigkeiten von einer radial weiter innenliegenden Prozessstufe zu einer radial bei der außenliegenden Prozessstufe eingesetzt, oder zum Zwecke der Stofftrennung durch Dichteunterschiede.
Zentrifugen sind daher essenzieller Bestandteil von Laboren, in welchen (bio-)chemische Prozesse durchgeführt werden.
Im Folgenden sollen automatisierte Systeme aufgezeigt werden, welche eine automatisierte Durchführung mehrerer Prozessschritte bei (bio-)chemischen Prozessen ermöglichen.
Bereits bekannt sind Pipettierroboter mit integrierter Zentrifuge. Derartige Systeme haben einen Pipettierroboter mit einem Greifer und einer integrierten Zentrifuge, mit dem sich beispielsweise die Aufreinigung von DNA, RNA und Proteinen automatisiert durchführen lässt. Dabei können bei bestimmten Systemen bis zu 12 Proben pro Lauf gleichzeitig aufgereinigt werden.
Ein Nachteil eines solchen automatisierten Systems für einen Kunden sind die hohen Kosten für den Erwerb des Spezialgeräts, der zusätzliche Platzbedarf im Labor und die erforderliche Einarbeitungszeit des qualifizierten Personals.
Andere Spezialgeräte nutzen eine nicht zentrifugale Automatisierungsalternative zur Handhabung von Flüssigkeiten. In solchen sogenannten fluidisch integrierten Systemen können Proben separiert (Nukleinsäureextraktion) und analysiert werden (beispielsweise für eine sogenannte Realtime (Echtzeit) PCR). Zur Durchführung der Tests werden spezielle auf das fluidische integrierte Systeme angepasste Gebinde benötigt. Diese Gebinde bzw. Reaktionsgefäße bestehen aus einem flexiblen Schlauch, der durch Septen getrennt ist. In den durch die Septen getrennten Kompartimenten sind die erforderlichen Reagenzien vorgelagert. Das Handhaben der Flüssigkeiten geschieht durch Stößel, die auf den Schlauch drücken und auf diese Weise einerseits als Ventil, andererseits auch als Pumpe fungieren.
Mit diesem automatisierten System können so verschiedene (bio-)chemische Prozesse automatisiert durchgeführt werden, jedoch ist dafür wiederum ein spezialisiertes und teueres Geräte notwendig. Dieses System weist daher dieselben Nachteile wie das zuvor genannte System auf.
Des Weiteren existieren bereits sogenannte Spezialzentrifugen zur Prozessierung von Flüssigkeiten.
Die Schrift US 4190530 (auch veröffentlicht als DE 2912676 A1 ) zeigt eine speziell entwickelte Zentrifuge mit verschiedenen Auffangbehältern in radialer Anordnung. Die Auffangbehälter sind dabei in verschiedenen Abständen von einer Rotationsachse eines Rotors der Zentrifuge in Schwenkbecherhaltern angeordnet. Die in der Schrift gezeigte Zentrifuge ermöglicht damit die Prozessierung von mehreren Fluiden über verschiedene Pfade von einem Ort näher an der Rotationsachse gelegen zu einem weiteren Ort mit größerem Abstand zu der Rotationsachse. Ein Fluid durchströmt dabei eine Separationssäule in einem ersten radial innen gelegenen Auffangbehälter. An dem radial äußeren Ort befinden sich mehrere Auffangbehälter in welche das Fluid, welches über die Separationssäule geströmt ist, einströmen kann. Das Fluid wird über Beschleunigungskräfte in verschiedenen Drehrichtungen über verschiedene Pfade nach außen geführt. Dadurch kann das Fluid in verschiedene Auffangbehälter gelangen. Mit diesem System können von einer Ausgangskavität an dem radial inneren Ort verschiedene fluidische Pfade in der Zentrifuge realisiert werden. Insbesondere wird das Fluid über Ventile und Leitungen in der Zentrifuge und Düsen in den radial inneren Auffangbehälter eingebracht. Ein Nachteil der Vorrichtung ist dass Fluide verschiedener Ausgangskavitäten nicht über denselben Pfad geführt werden. Des Weiteren muss das Gerät speziell designed (entworfen) und gefertigt werden, was mit hohen Kosten verbunden ist.
Die Schrift US 5045047 zeigt einen Zentrifugenapparat mit einem Rotor mit einem inneren und einem äußeren Ring. An dem inneren Ring sind sogenannte innere Container angeordnet und an dem äußeren Ring sind sogenannte äußere Container angeordnet. Des Weiteren weist der in der Schrift beschriebene Zentrifugenapparat einen Mechanismus zum Verhindern, einer durch Zentrifugalkraft erzeugten radialen Ausrichtung der inneren Container, auf. Dies ermöglicht eine teilweise Ausrichtung der inneren Container mit den äußeren Containern, so dass ein Fluid von einem inneren Container aufgrund einer durch eine Rotation des Rotors des Zentrifugenapparats erzeugten Zentrifugalkraft in einen zugehörigen äußeren Container fließen kann. Die Schrift beschreibt diesen Zustand als ausgerichteten Zustand. In einem nicht ausgerichteten Zustand, d. h. wenn die inneren Container gehalten werden, so dass sie sich nicht radial ausrichten können, können die inneren Container ausgelehrt werden. Ein Nachteil dieses gezeigten Zentrifugenapparates ist, dass Fluide aus verschiedenen inneren Containern nicht in einen gemeinsamen äußeren Container geleitet werden können. Insbesondere nachteilig ist, dass der Zentrifugenapparat, wie auch bereits im Vorherigen beschriebenen, ein Spezialgerät ist, welches nur einen begrenzten Einsatzbereich hat und mit sehr hohen Kosten verbunden ist.
Die Schrift US 5087369 (auch veröffentlicht als DE 68923835 T2 ) beschreibt ein Verfahren zum Trennen und Zurückgewinnen von Proteinen, die in Flüssigkeiten anwesend sind, durch eine Drehsäule. Basierend auf einer Drehung einer Kolonne wird das Fluid von einem inneren Zylinder in einen äußeren Zylinderraum geleitet. Nachteilig ist auch hier, dass Fluide von verschiedenen Ausgangskavitäten nicht in eine gemeinsame Endkavität geleitet werden können.
Ein wesentlicher Nachteil automatisierter Systeme sind insbesondere die hohen zusätzlichen Fixkosten, die mit der Anschaffung von Spezialgeräten verbunden sind. Die Folge ist ein erschwerter Markteintritt für derartige Systeme.
Ein Alternative zur automatisierten Handhabung von Flüssigkeiten um chemische und (bio-)chemische Prozesse durchzuführen, ist eine manuelle Handhabung der Flüssigkeiten. Nachteile der manuellen Handhabung sind die sehr vielen einzelnen, vom Fachpersonal durchzuführenden und extrem zeitaufwendigen Arbeitsschritte, wie sie beispielsweise bei einer DNA-Extraktion anfallen. Des Weiteren ist die Gefahr der Kreuzkontamination der gehandhabten Flüssigkeiten stets gegeben.
Die US 5,171,533 A zeigt eine Reaktionsvorrichtung mit einem beweglichen Teil, das eine Kavität aufweist. Das bewegliche Teil dient dazu, um eine Patientenprobe von einer ersten Sektion der Vorrichtung in eine zweite Sektion der Vorrichtung zu transportieren.
Die DE 10 2007 000 310 A1 zeigt einen Einsatz für Blutzentrifugen. Dieser Einsatz weist einen Beutel, welcher über einen Schlauch mit einem Filter und einem Produktbeutel verbunden ist, auf. Mit Hilfe eines Druckkissens wird Blut von dem Beutel durch den Filter in den Produktbeutel gepresst.
Die AT 49 658 E zeigt eine Behandlungskarte für eine Zentrifuge
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Konzept zu schaffen, welches eine kostengünstigere automatisierte Handhabung von Flüssigkeiten, insbesondere in (bio-)chemischen Prozessen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Zentrifuge gemäß Anspruch 22, ein Verfahren gemäß Anspruch 23 und ein Verfahren gemäß Anspruch 24.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge. Die Vorrichtung weist mindestens zwei übereinander gestapelte Körper und ein Gehäuse auf. Das Gehäuse ist ausgebildet, um in eine Halterung des Rotors der Zentrifuge eingesetzt zu werden. Die mindestens zwei Körper sind in dem Gehäuse in einer Stapelrichtung so angeordnet, dass bei einer bestimmungsgemäßen Aufnahme der Vorrichtung in dem Rotor der Zentrifuge und bei einer Rotation des Rotors ein Abstand eines der mindestens zwei Körper zu einer Rotationsachse des Rotors geringer ist, als ein Abstand eines anderen der mindestens zwei Körper zu der Rotationsachse des Rotors. Ein erster der mindestens zwei Körper weist dabei zumindest eine erste und eine zweite Kavität auf und ein zweiter der mindestens zwei Körper weist dabei zumindest eine erste Kavität auf. Die mindestens zwei Körper sind in dem Gehäuse beweglich zueinander angeordnet, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors, in einer ersten Phase, die erste Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln, und, in einer zweiten Phase, die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln.
Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, das ein verbessertes Konzept zur automatisierten Handhabung von Flüssigkeiten, beispielsweise in (bio-)chemischen Prozessen geschaffen werden kann, wenn zur automatischen Prozessierung der Flüssigkeiten kein Spezialgerät verwendet werden muss, sondern ein Standardlaborgerät, wie beispielsweise eine Standardzentrifuge, welche typischerweise Bestandteil eines (bio-)chemischen Labors ist, verwendet werden kann, und die Prozessierung innerhalb der Zentrifuge, gesteuert durch eine Rotation des Rotors der Zentrifuge, automatisiert erfolgt. Da eine solche Zentrifuge integraler Bestandteil fast jedes Labors ist, fallen im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik aufgezeigten Spezialgeräten keine zusätzlichen Fixkosten für die Anschaffung eines Spezialgeräts an. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind so ausgebildet, dass sie sich in einer Halterung eines Rotors, beispielsweise in einem Schwenkbecherhalter des Rotors einsetzen lassen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen damit beispielsweise eine Prozessierung verschiedener Fluide in einer geschlossenen Vorrichtung (beispielsweise einem Gebinde), wobei die verschiedenen Fluide bereits in der Vorrichtung vorgelagert sein können (z. B. in der ersten Kavität und in der zweiten Kavität des ersten Körpers). In einer ersten Phase kann ein Fluid aus der ersten Kavität des ersten Körpers basierend auf einer durch den Rotor der Zentrifuge erzeugten Zentrifugalkraft in die erste Kavität des zweiten Körpers (aufgrund der fluidischen Kopplung der ersten Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers) fließen. In einer zweiten Phase, in welcher die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch verbunden ist, kann dann ein Fluid aus der zweiten Kavität des ersten Körpers aufgrund der durch die Rotation des Rotors erzeugten Zentrifugalkraft, in die erste Kavität des zweiten Körpers fließen. Die Vorrichtung kann während dieses Prozesses in der Zentrifuge verbleiben und insbesondere ist keine Interaktion mit einem Anwender nötig.
Ausführungsbeispiele ermöglichen damit einen Automatisierungsprozess zum Handhaben von Flüssigkeiten, der nicht auf die Anschaffung teurer Spezialgeräte angewiesen ist, sondern mit einem in typischen (bio-)chemischen Labors verfügbaren Standardgerät durchführbar ist. Ein besonders weit verbreitetes Standardgerät, das auch zur manuellen Prozessierung vieler Prozesse genutzt wird, ist die Laborzentrifuge.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können damit zur automatisierten Handhabung von Flüssigkeiten in einer Laborzentrifuge genutzt werden, mit dem Ziel chemische und (bio-)chemische Prozesse, wie z. B. eine DNA-Extraktion, zu automatisieren.
Im Gegensatz zu den bereits bekannten Spezialgeräten weisen Ausführungsbeispiele keine signifikanten Fixkosten auf, sondern können in ihrer Art im Wesentlichen mit den ohnehin zur Durchführung von Laborprotokollen verwendeten Kunststoffeinwegartikeln vergleichbar sein.
Darüber hinaus ist eine Interaktion des Bedieners mit der Vorrichtung auf ein absolutes Minimum beschränkt, was dazu führt, dass zur Verwendung der Vorrichtung nicht notwendigerweise Fachpersonal erforderlich ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können erforderliche Prozesshilfsmittel, wie z. B. Reaktionsgefäße, Reagenzien oder Festphasen bereits Bestandteil der Vorrichtung (beispielsweise innerhalb der Kavitäten der Vorrichtung) sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen damit eine automatisierte Durchführung von Prozessen wie DNA-Extraktion, Immunoassay oder die Synthese von Radiopharmaka, in einer Zentrifuge, beispielsweise einer Laborzentrifuge.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, kann sich bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase eine Position der beiden Körper zueinander verändern. Eine Position des ersten Körpers bezüglich des zweiten Körpers ist in der ersten Phase unterschiedlich zu einer Position des ersten Körpers bezüglich des zweiten Körpers in der zweiten Phase. In der ersten Phase ist damit die erste Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers gekoppelt und in der zweiten Phase ist die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers gekoppelt. Der Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase kann dabei ansprechend auf eine Veränderung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors bezüglich einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors in der ersten Phase erfolgen. Ausführungsbeispiele ermöglichen damit ein fluidisches Koppeln verschiedener Kavitäten innerhalb der Vorrichtung, basierend auf einer Winkelgeschwindigkeit, also einer Rotationsgeschwindigkeit des Rotors einer Zentrifuge. Mit anderen Worten kann eine fluidische Kopplung der Kavitäten von einem Zentrifugationsprotokoll der Zentrifuge initiiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ohne einen Wechsel der Drehrichtung des Rotors der Zentrifuge erfolgen. Bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase kann außerdem ein Betrag der Winkelgeschwindigkeit des Rotors stets größer Null sein. Mit anderen Worten können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch in Zentrifugen angewendet werden, in welchen nur eine Bewegung in eine vorgegebene Richtung möglich ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen damit keine höheren Anforderungen an eine Zentrifuge, als dies bereits bekannte (manuelle) Prozessierungsverfahren tun.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Körper zylindrische Körper sein, wobei jeder der Körper eine Deckseite und eine in Stapelrichtung gegenüberliegende Grundseite aufweist. Eine Grundseite des ersten Körpers kann bei gegenüberliegend einer Deckseite des zweiten Körpers angeordnet sein. Die erste und die zweite Kavität des ersten Körpers können an die Grundseite des ersten Körpers angrenzen und die erste Kavität des zweiten Körpers kann an die Deckseite des zweiten Körpers angrenzen. Die Vorrichtung kann dabei so ausgebildet sein, dass sich einer der beiden Körper (beispielsweise der zweite Körper) bezüglich des anderen Körpers (beispielsweise bezüglich des ersten Körpers) um eine in Stapelrichtung verlaufende Rotationsachse der beiden Körper verdreht. In anderen Worten kann in der ersten Phase der zweite Körper in einer ersten Position bezüglich des ersten Körpers angeordnet sein, und in der zweiten Phase kann der zweite Körper in einer bezüglich der ersten Position verdrehten Position bezüglich des ersten Körpers angeordnet sein. Ferner kann das Gehäuse zumindest in einem Bereich einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, so dass es beispielsweise in seiner äußeren Form einem Standardzentrifugenröhrchen entspricht. Ein Volumen eines solchen Standardzentrifugenröhrchens kann beispielsweise 2 ml, 12–18 ml, 50 ml oder 500 ml betragen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Kavitäten (beispielsweise die erste und die zweite Kavität des ersten Körpers) Verschlussmittel aufweisen, wobei die Vorrichtung ausgebildet sein kann, um in der ersten Phase ein Verschlussmittel der ersten Kavität des ersten Körpers zu öffnen, und um in der zweiten Phase ein Verschlussmittel der zweiten Kavität des ersten Körpers zu öffnen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen damit beispielsweise ein Vorlagern bestimmter Reagenzien in den Kavitäten, welche in einer Phase, in der die Reagenzien benötigt werden, geöffnet werden. Genau wie eine Kopplung der verschiedenen Kavitäten ansprechend auf eine Rotation des Rotors erfolgt, so kann auch eine Öffnung der Verschlussmittel der Kavitäten ansprechend auf eine Rotation des Rotors erfolgen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die Verschlussmittel beispielsweise Membranen sein, und der zweite Körper kann beispielsweise an seiner Deckseite mindestens einen Dorn aufweisen, welcher ausgebildet ist, um wenigstens eine der Membranen, ansprechend auf eine Rotation des Rotors, aufzustechen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Abstand der beiden Körper zueinander variabel sein, so dass beispielsweise bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ein Abstand der beiden Körper größer ist, als ein Abstand der beiden Körper zueinander in der ersten Phase und in der zweiten Phase. Beispielsweise kann eine Veränderung des Abstandes der beiden Körper zueinander genutzt werden, um Verschlussmittel der Kavitäten zu öffnen oder um bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase die Körper zueinander verschieben zu können, aber darüber hinaus in der ersten Phase und in der zweiten Phase eine dichte fluidische Kopplung der Kavitäten der beiden Körper zu ermöglichen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse mindestens zwei voneinander separierbare Gehäuseteile aufweisen, so dass bei einer Separation der mindestens zwei Gehäuseteile mindestens einer der mindestens zwei Körper aus der Vorrichtung entnehmbar ist. So kann beispielsweise nach einem Abschluss der automatisierten Prozessierung der Flüssigkeiten die Vorrichtung aus der Zentrifuge entnommen werden, und dann durch Separieren der beiden Gehäuseteile des Gehäuses einer der beiden Körper aus dem Gehäuse entnommen werden, beispielsweise der zweite Körper, mit einem, sich in einer Kavität des zweiten Körpers befindlichen, Eluat, welches zu einer Weiterverwendung benötigt wird.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die mindestens zwei Körper als Mikrotiterplatten ausgestaltet sein, d. h. als Platten mit einem Feld von Kanälen oder Kavitäten. Die Platten sind dabei verschiebbar zueinander.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden detailliert anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer ersten Phase;
1b eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus 1a in einer zweiten Phase;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 schematische Darstellungen von verschiedenen Verschlussmitteln, wie sie bei Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen in der vorliegenden Erfindung zum Verschluss von Kavitäten vorkommen können;
4 schematische Darstellungen von verschiedenen Einsätzen, wie sie in Kavitäten von Körpern von Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorkommen können;
5 schematische Darstellungen von verschiedenen Eluatsammelbehältern, wie sie bei Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorkommen können;
6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8a–8d schematische Darstellungen von einzelnen Bestandteilen der Vorrichtung aus 7;
9 schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Kugelschreiberprinzips, wie es bei einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann;
10 ein Diagramm zwischen Zeit- und Winkelgeschwindigkeit eines Rotors einer Zentrifuge;
11a–11f schematische Darstellungen von zwei Körpern einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in Abhängigkeit von der in 10 gezeigten Winkelgeschwindigkeit eines Rotors über eine Zeit;
12 schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Ratschenprinzips und eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit dem Ratschenprinzip;
13 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14 ein Diagramm zwischen Zeit- und Winkelgeschwindigkeit eines Rotors einer Zentrifuge bei einem Verfahrens zum fluidischen Koppeln mehrerer Kavitäten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15a, 15b schematische Darstellungen von Körpern einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie sie bei einer Durchführung des Verfahrens aus 14 auftreten; und
16 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung einer Säule, welche in einer Kavität eines Körpers einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein kann.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Figuren näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass die gleichen Elemente oder funktionell gleichen Elemente in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Eine Beschreibung von Elementen mit gleichen Bezugszeichen ist daher gegenseitig austauschbar und/oder in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aufeinander anwendbar.
Die 1a und 1b zeigen eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Phasen der Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge weist zwei übereinander gestapelte voneinander separierbare Körper 110, 120 auf. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 100 ein Gehäuse 130 auf, welches ausgebildet ist, um in einer Halterung des Rotors der Zentrifuge eingesetzt zu werden. Die zwei Körper 110, 120 sind in dem Gehäuse 130 in einer Stapelrichtung so angeordnet, dass bei einer bestimmungsgemäßen Aufnahme der Vorrichtung 100 in dem Rotor der Zentrifuge, und bei einer Rotation des Rotors ein Abstand l₁ eines der zwei Körper 110, 120 zu einer Rotationsachse 140 des Rotors geringer ist, als ein Abstand l₂ eines anderen der zwei Körper 110, 120 zu der Rotationsachse 140 des Rotors. Ein erster Körper 110 der zwei Körper 110, 120 weist eine erste Kavität 150a und eine zweite Kavität 150b auf. Ein zweiter Körper 120 der zwei Körper 110, 120 weist eine erste Kavität 160a auf. Die zwei Körper 110, 120 sind in dem Gehäuse 130 beweglich zueinander angeordnet, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors in einer ersten Phase die erste Kavität 150a des ersten Körpers 110 mit der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fluidisch zu koppeln, und in einer zweiten Phase die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 mit der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fluidisch zu koppeln.
Bei der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung 100 ist bei einer Rotation des Rotors der erste Körper 110 mit dem Abstand l₁ näher an der Rotationsachse 140 des Rotors angeordnet, als der zweite Körper 120 mit dem Abstand 12.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist es aber auch möglich, dass die beiden Körper 110 und 120 so in dem Gehäuse 130 angeordnet sind, dass der Abstand l₂ des zweiten Körpers 120 zu der Rotationsachse 140 bei der Rotation des Rotors geringer ist, als der Abstand l₁ des Körpers 110 zu der Rotationsachse 140 des Rotors 140.
Die Vorrichtung 100 ist in 1a in der ersten Phase, d. h. die erste Kavität 150a des ersten Körpers 110 ist fluidisch mit der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 gekoppelt. Ein Fluid, beispielsweise eine Reagenzie, welche sich in der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 befindet, kann basierend auf einer durch die Rotation des Rotors um die Rotationsachse 140 erzeugte Zentrifugalkraft von der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 in die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fließen.
In 1b ist die Vorrichtung 100 in der zweiten Phase, d. h. die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 ist mit der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 gekoppelt. Ein sich in der zweiten Kavität befindliches Fluid, beispielsweise eine Reagenz, kann damit basierend auf einer durch die Rotation des Rotors um die Rotationsachse 140 erzeugten Zentrifugalkraft, von der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 in die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fließen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 eine Mischvorrichtung aufweisen, welche ausgebildet ist, um ein in der ersten Phase von der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 in die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 eingeflossenes Fluid mit einem in der zweiten Phase von der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 in die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 eingeflossenem Fluid zu vermischen. Insbesondere kann die Mischvorrichtung ausgebildet sein, um die beiden Fluide ansprechend auf die Rotation des Rotors miteinander zu vermischen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann in der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 eine weitere Reagenzie vorgelagert sein, welche basierend auf einem Prozessierungsprotokoll zuerst mit dem Fluid aus der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 und danach mit dem Fluid aus der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 in Berührung kommen soll.
Ausführungsbeispiele ermöglichen damit eine automatisierte Prozessierung von Flüssigkeiten, beispielsweise für (bio-)chemische, chemische oder biologische Prozesse, in einer Standardlaborzentrifuge, ohne während der Prozessierung die Vorrichtung 100 aus der Zentrifuge entnehmen zu müssen.
Die beiden in dem Gehäuse 130 zueinander beweglich angeordneten Körper 110, 120 können gemäß einigen Ausführungsbeispielen verschiebbar (beispielsweise translatorisch verschiebbar) zueinander angeordnet sein oder gemäß einigen weiteren Ausführungsbeispielen drehbar zueinander angeordnet sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann sich bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase eine Position der beiden Körper 110, 120 zueinander verändern, so dass eine Position des ersten Körpers 110 bezüglich des zweiten Körpers 120 in der ersten Phase unterschiedlich zu einer Position des ersten Körpers 110 bezüglich des zweiten Körpers 120 in der zweiten Phase ist. Ferner kann die Vorrichtung 100 ausgebildet sein, so dass der Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ansprechend auf eine Veränderung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors bezüglich einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors in der ersten Phase erfolgt. Mit anderen Worten kann der Rotor in der ersten Phase eine gegebene Winkelgeschwindigkeit aufweisen, um ein sich in der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 befindliches Fluid in die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fließen zu lassen. Daraufhin kann eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors verändert werden, beispielsweise so, dass sich der zweite Körper 120 bezüglich des ersten Körpers 110 verschiebt oder verdreht. Die Vorrichtung 100 kann dazu beispielsweise eine Aktuationsmechanik aufweisen, welche basierend auf einer durch die Rotation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft eine Position der beiden Körper 110, 120 zueinander verändert.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ohne einen Wechsel der Drehrichtung des Rotors zur Zentrifuge erfolgen, und so dass bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ein Betrag der Winkelgeschwindigkeit des Rotors stets größer Null ist. Mit anderen Worten kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen die Zentrifuge nicht angehalten werden, um die Vorrichtung 100 in die zweite Phase zu bringen. Im Gegensatz dazu wird bei bekannten händischen Verfahren, beispielsweise ein erstes Fluid in einen Zentrifugenbecher gegeben, dieses in der Zentrifuge zentrifugiert und danach die Zentrifuge angehalten, um ein zweites Fluid in diesen Zentrifugenbecher zu geben, um dieses zusammen mit dem ersten Fluid in der Zentrifuge zu zentrifugieren. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen damit eine einfachere Handhabung bei der Prozessierung von verschiedenen Flüssigkeiten gegenüber manuellen Verfahren.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann eine der Kavitäten der Vorrichtung 100 ein Verschlussmittel aufweisen, wobei die Vorrichtung 100 ausgebildet ist, um das Verschlussmittel zu öffnen. So können beispielsweise die erste Kavität 150a und die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 jeweils ein Verschlussmittel aufweisen, und die Vorrichtung 100 kann ausgebildet sein, um in der ersten Phase das Verschlussmittel der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 zu öffnen, und um in der zweiten Phase das Verschlussmittel der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 zu öffnen. Eine Öffnung der Verschlussmittel kann dabei beispielsweise erfolgen, indem eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors soweit erhöht wird, bis ein in einer jeweiligen Kavität befindliches Fluid einen so hohen Druck auf das Verschlussmittel ausübt, dass das Verschlussmittel reißt. Weiterhin kann das Verschlussmittel der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 so ausgebildet sein, dass es bei einer niedrigeren Winkelgeschwindigkeit reißt, als das Verschlussmittel der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann aber auch ein der Kavität gegenüberliegender Körper der zwei Körper 110, 120, also beispielsweise der zweite Körper 120, einen Dorn aufweisen, welcher ausgebildet ist, um mindestens eines der Verschlussmittel zu öffnen. Der Dorn kann dazu, ansprechend auf die Rotation des Rotors (beispielsweise in Abhängigkeit von einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit des Rotors) mindestens eines der Verschlussmittel aufstechen, so dass das Fluid, welches sich in der von dem Verschlussmittel verschlossenen Kavität befindet, freigesetzt wird.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 100 so ausgebildet sein, dass ein Abstand der zwei Körper 110, 120 bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase größer ist als ein Abstand der zwei Körper 120, 130 zueinander in der ersten Phase und in der zweiten Phase. So können beispielsweise in der ersten Phase und in der zweiten Phase die beiden Körper 110, 120 sich direkt berühren, um eine dichte fluidische Bindung zwischen der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 und der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 bzw. der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 und der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 zu gewährleisten. Ferner kann bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ein Abstand der beiden Körper 110, 120 größer sein, beispielsweise so, dass eine reibungsfreie Verschiebung der Körper gegeneinander gewährleistet ist. Darüber hinaus kann eine Veränderung des Abstands der beiden Körper zum Öffnen von Verschlussmitteln der Kavitäten genutzt werden, beispielsweise wenn, wie im Vorherigen beschrieben, an dem zweiten Körper ein Dorn angeordnet ist, welcher ausgebildet ist, um mindestens ein Verschlussmittel der Kavitäten zu öffnen. So kann bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase der Dorn beispielsweise in ein Verschlussmittel der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 eingefahren werden und während der zweiten Phase dort verbleiben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 100 eine Phasenanzeige aufweisen, wobei die Phasenanzeige ausgebildet ist, um anzuzeigen, in welcher Phase sich die Vorrichtung zu einem Zeitpunkt des Ablesen befindet. In anderen Worten kann ein Anwender nach Durchführung der Prozessierung und nach Entnahme der Vorrichtung 100 aus einer Zentrifuge feststellen, ob alle erforderlichen Prozessierungsschritte durchgeführt worden sind. Die Vorrichtung 100 kann dazu beispielsweise ein Zählwerk oder eine Skala aufweisen.
2 zeigt eine Vorrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 unterscheidet sich zu der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung dadurch, dass die erste Kavität 150a des ersten Körpers 110 an einer dem zweiten Körper 120 zugewandten Seite ein erstes Verschlussmittel 210a aufweist und die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 an der dem zweiten Körper 120 zugewandten Seite ein zweites Verschlussmittel 210b aufweist. Ein Verschlussmittel kann dabei auch eine Funktion eines Deckels übernehmen. Des Weiteren weist der zweite Körper 120 an einer dem ersten Körper 110 zugewandten Seite einen Dorn 220, beispielsweise einen Dorn zum Durchstechen eines Deckels, auf. Der Dorn 220 kann dabei ausgebildet sein, um in der ersten Phase das erste Verschlussmittel 210a der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 aufzustechen, und um in der zweiten Phase das zweite Verschlussmittel 210b der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 aufzustechen. Die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 kann wie in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel an einer dem ersten Körper 110 abgewandten Seite offen sein, beispielsweise als ein Auslasskanal 160a oder geschlossen sein, beispielsweise als ein Sammelbehälter. In der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 kann sich eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid 230a befinden, in der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 kann sich eine zweite Flüssigkeit bzw. ein zweites Fluid 230b befinden. Die beiden Kavitäten 150a, 150b können daher auch eine Funktion eines Reservoirs übernehmen. Daher kann der erste Körper 110 auch als ein Magazin einer Einheit, also als ein Magazin der Vorrichtung 100, bezeichnet werden und der zweite Körper 120 als ein nachgelagerter Körper bezeichnet werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die beiden Körper 110, 120 zylinderförmige Körper mit jeweils einer Deckseite und einer in Stapelrichtung gegenüberliegenden Grundseite sein. Eine Grundseite 114 des ersten Körpers 110 kann dabei gegenüberliegend einer Deckseite 122 des zweiten Körpers 120 angeordnet sein. Wie in 2 gezeigt, können die erste Kavität 150a des ersten Körpers 110 und die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 an die Grundseite 114 des ersten Körpers 110 angrenzen. Die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 kann an die Deckseite 122 des zweiten Körpers 120 angrenzen. Die Vorrichtung 200 kann dabei so ausgebildet sein, dass sich bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase der zweite Körper 120 bezüglich des ersten Körpers 110 um eine in Stapelrichtung verlaufende Rotationsachse 250 der beiden Körper 110, 120 verdreht. Mit anderen Worten kann sich ansprechend auf eine Rotation des Rotors um die Rotationsachse 140, bzw. um die Drehachse der Zentrifuge, der zweite Körper 120 bezüglich des ersten Körpers 110 verdrehen. Die Rotationsachse 250 der beiden Körper 110, 120 kann ferner auch eine rotatorische Achse der Einheit bzw. der Vorrichtung 200 bilden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann sich ein Abstand der beiden Körper 110, 120 bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase verändern. Beispielsweise kann die Vorrichtung 200 eine Druckmechanik 240 aufweisen, welche ausgebildet ist, um bei dem Übergang in die erste Phase in die zweite Phase den ersten Körper 110 bezüglich des zweiten Körpers 120 um einen Hub 260 der Einheit bzw. der Vorrichtung 100 von dem zweiten Körper 120 zu beabstanden. Insbesondere kann während der ersten Phase und während der zweiten Phase ein Abstand der beiden Körper 110, 120 minimal sein, beispielsweise so, dass der Dorn 220 die Verschlussmittel 210a, 210b in der jeweiligen Phase durchsticht.
Wie in 2 gezeigt kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der zweite Körper 120 so ausgebildet sein, dass er an seiner Deckseite 122 Aussparungen aufweist, um den ersten Körper 114 zumindest teilweise aufzunehmen.
Mit anderen Worten ermöglichen Ausführungsbeispiele eine rotatorische Verschiebung einer Einheit bzw. der Vorrichtung 200 durch die Druckmechanik 240. In der Einheit bzw. Vorrichtung 200 sind verschiedene Flüssigkeiten (die Fluide 150a, 150b) vorgelagert.
Durch Rotation (um die rotatorische Achse 250 der Vorrichtung 200) werden die Flüssigkeiten der Reihe nach über den Dorn 220 geführt und die der erste Körper 110 wird relativ zum Dorn 220 abgesenkt. Mit anderen Worten wird der Abstand zwischen dem ersten Körper 110 und dem zweiten Körper 120 verringert. Dabei wird das Verschlussmittel der jeweiligen Kavität, bzw. die Membran des jeweiligen Reservoirs, durchstochen und die in dem Reservoir befindliche Flüssigkeit freigesetzt.
Ausführungsbeispiele ermöglichen damit alle zur Prozessierung erforderlichen Reagenzien und Prozesshilfsmittel zu einem Gebinde (beispielsweise zu der Vorrichtung 100 oder 200) zusammenzufassen, mit dem der Rotor einer Laborzentrifuge durch den Anwender bestückt werden kann. Derartige Gebinde sind als Vorrichtung 100 und 200 in den 1a, 1b und 2 dargestellt. Das Gebinde bleibt bis zum Ende des zu automatisierenden Prozesses im Rotor und wird erst dann wieder entnommen. Wie bereits oben erwähnt, weist das Gebinde mindestens zwei gestapelte Körper auf, deren Stapelrichtung während des Zentrifugieren eine radiale Richtungskomponente aufweist. Die Körper weisen eine oder mehrere Kammern (oder Kavitäten) auf, die mit Prozesshilfsmitteln und Reagenzien oder fluidischen Einbauten bestückt sein können. Die Richtung der Kammern bzw. der Kavitäten weist während des Zentrifugieren ebenfalls eine radiale Richtungskomponente auf. Die Kanäle bzw. Kavitäten können offen, ein- oder beidseitig mit einem Deckel verschlossen sein. Ein Deckel bzw. Verschlussmittel dieser Kavitäten kann dabei so ausgestaltet sein, dass der Deckel bzw. das Verschlussmittel während des Zentrifugationsprotokolls automatisch geöffnet werden kann, z. B. durch einen Dorn oder durch Druck. In den Kanälen bzw. Kavitäten enthaltene flüssige oder feste Stoffe können mit Hilfe der Zentrifugalkraft von einer radial weiter innen gelegenen Kavität in eine radial weiter außen gelegene Kavität transportiert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen können, um Prozessabläufe zu automatisieren, verschiedene Kombinationen von Kavitäten in Sequenz miteinander, mittelbar oder unmittelbar in fluidischen Kontakt gebracht werden. Die Körper können dabei beispielsweise mit einer tangentialen Richtungskomponente gegeneinander verschoben werden. Gemäß Ausführungsbeispielen kann dadurch in einem ersten Zentrifugationsschritt ein Stoff (beispielsweise eine Flüssigkeit) von einem ersten radial weiter innen gelegenen Quellkanal (beispielsweise die erste Kavität 150a des ersten Körpers 110) eines Körpers (beispielsweise des ersten Körpers 110) in einen radial weiter außen liegenden Körper bzw. in eine Kavität (beispielsweise die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120) des Körpers befördert werden. Nach einer relativen Verschiebung der beiden Körper kann in einem zweiten Zentrifugationsschritt aus einem zweiten radial weiter innen gelegenen Quellkanal (beispielsweise der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110) des Körpers ein Stoff in den gleichen radial weiter außen liegenden Zielkanal (beispielsweise die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120) befördert werden. Ausführungsbeispiele ermöglichen auf diese Weise verschiedene an einem Prozess beteiligte Stoffe oder Prozesshilfsmittel sequenziell miteinander in Kontakt zu bringen.
Eine Verschiebung der beiden Körper zueinander kann direkt vom Zentrifugationsprotokoll bewirkt bzw. initiiert werden. Eine erforderliche Energie zur Verschiebung der beiden Körper kann aus der Zentrifugationsenergie bezogen werden und der Zeitpunkt und/oder das Ausmaß der Verschiebung kann beispielsweise durch eine sich zeitlich verändernde Zentrifugationsfrequenz (bzw. einer zeitlich veränderlichen Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge) bestimmt werden. Die gegenseitige Verschiebung der Körper kann linear oder rotatorisch ausgeführt werden. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben, können zum Verschließen der Kavitäten Verschlussmittel bzw. Deckel oder Ventile eingesetzt werden. Der Deckel bzw. das Verschlussmittel kann dabei beispielsweise durch einen Dorn oder durch Druck geöffnet werden, wie er beispielsweise im Zentrifugalfeld durch eine darüber liegende Flüssigkeitssäule erzeugt werden kann.
3 zeigt zwei verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung von Verschlussmittel für die Kavitäten der Körper der Vorrichtungen 100 und 200. 3-A zeigt eine Kavität 310, welche mit einem Verschlussmittel, welches als ein Ventil (320) ausgebildet ist, geöffnet und verschlossen werden kann. Eine bereits in 2 beschriebene Druckmechanik 240 kann dabei eingesetzt werden, um das Ventil 320 zu bedienen bzw. es ansprechend auf eine Rotation des Rotors oder eine Veränderung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors zu öffnen oder zu schließen. In 3-A links kann beispielsweise eine durch die Druckmechanik 240 erzeugte Kraft kleiner sein als eine durch die Zentrifugation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft, so dass das Ventil 320 geöffnet ist, so dass eine sich in der Kavität 310 befindende Flüssigkeit oder eine durch die Kavität 310 fließende Flüssigkeit die Kavität 310 über einen Flüssigkeitsstrom 330 verlassen kann. Das Ventil 320 ist in der 3-A links nicht in einem Ventilsitz 340 in der Kavität 310 angeordnet. 3-A rechts zeigt die Kavität 310 mit dem Ventil 320, welches von dem Ventilsitz 340 der Kavität 310 aufgenommen wird. Das Ventil 320 verschließt damit die Kavität 310, so dass eine in der Kavität 310 befindliche Flüssigkeit oder eine in die Kavität 310 einfließende Flüssigkeit die Kavität 310 nicht verlassen kann. Eine durch die Zentrifugation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft ist damit beispielsweise kleiner als eine durch die Druckmechanik 240 erzeugte Rückstellkraft. Mit anderen Worten zeigt 3-A die Möglichkeit, ein Ventil 320 zum Verschließen bzw. Öffnen einer Kavität 310 einzusetzen.
Das Ventil 320 kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen ebenfalls durch eine zentrifugal betriebene Mechanik (beispielsweise die Druckmechanik 240) gesteuert werden, indem eine Hubbewegung erzeugt wird, so kann beispielsweise das Ventil 320 fest arretiert sein, und ein Körper, welcher die Kavität 310 aufweist, bezüglich des Ventils 320 bewegt werden. Darüber hinaus sind auch Lochscheiben als Schleifventil (vergleichbar eines Gewürzstreuers) einsetzbar, die durch eine rotatorische oder translatorische Bewegung betätigt werden können, wobei gemäß einigen Ausführungsbeispielen auch hier die Bewegung durch eine Veränderung der Zentrifugationsfrequenz (oder der Winkelgeschwindigkeit) des Rotors gesteuert werden kann.
3-B zeigt eine weitere Möglichkeit eines Verschlussmittels einer Kavität. Die in 3-B gezeigte Kavität kann beispielsweise die erste Kavität 150a des ersten Körpers 110 gemäß den 1 und 2 sein. Das Verschlussmittel 210a der ersten Kavität 150a kann dabei als eine Membrane ausgebildet sein. Die Kavität 150a kann dabei beispielsweise ein Reservoir oder eine Zuleitung sein. In 3-B links kann eine durch die Druckmechanik 240 erzeugte Rückstellkraft größer als eine durch die Zentrifugation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft sein, so dass das Verschlussmittel 210a bzw. die Membran oberhalb des Dorns 220, beispielsweise mit einem Hub 260 angeordnet ist. Der Dorn 220 kann dabei beispielsweise an der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 angeordnet sein. In 3-B rechts kann beispielsweise eine durch die Zentrifugation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft größer als eine durch die Druckmechanik 240 erzeugte Rückstellkraft sein. Beispielsweise kann eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors in 3-B links kleiner sein als eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors in 3-B rechts. Die Kavität 150a mit dem Verschlussmittel 210a bzw. der Membran 210a senkt sich damit auf den Dorn 220 ab, oder der Dorn 220 bewegt sich in das Verschlussmittel 210a bzw. die Membran 210a hinein, um die Membran 210a zu durchstoßen bzw. zu öffnen. Eine in der Kavität 150a enthaltene Flüssigkeit kann dadurch aus der Kavität 150a ausströmen, beispielsweise in eine radial entferntere Kanalöffnung (beispielsweise in die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 gemäß den 1 und 2). Mit anderen Worten zeigt 3-B wie eine Druckmechanik 240 eingesetzt wird, um eine Membran 210a zu durchstoßen, wodurch ein Kanal oder ein Reservoir oder eine Kavität 250a geöffnet werden kann, und die darin enthaltene Flüssigkeit in radial entfernte Kanalöffnungen bzw. eine radial entfernte Kavität strömt.
In den in den 1 bis 3 gezeigten Kavitäten (beispielsweise den Kavitäten 150a, 150b, 160a) können verschiedene Prozesshilfsmittel enthalten sein. Diese Prozesshilfsmittel können einerseits vorgelagerte Flüssigkeiten und Feststoffe, andererseits aber auch fluidische Einbauelemente sein. Prozesshilfsmittel können z. B. sein: Flüssigreagenzien (z. B. Puffer für DNA-Extraktion), Trockenreagenzien (z. B. gefriergetrocknete Polymerase, Antikörperbeschichtung, Mikrosphären, Salze), chromatographische Säulen oder Membrane, (beispielsweise zur DNA-Extraktion oder zur Aufreinigung von Proteinen), mikrofluidische Strukturen, wie beispielsweise Siphons, Aliquotierstrukturen oder Mischer, Düsenmembrane bzw. Filter (z. B. sogenannte Track-Etch-Membrane), funktionelle, konstruktive Elemente für das Mischen, Trennen oder Festlegen eines fluidischen Pfads (wie sie noch später in 4 beschrieben werden), Ventile (wie sie bereits in 3 beschrieben wurden), magnetische Partikel, Magneten, chemische Substanzen, die beispielsweise durch exotherme Reaktionen der Probe Wärme erzeugen, um eine gewisse Inkubationstemperatur zu erreichen, Substanzen, die durch Reaktion mit der Probe zu Gasblasenbildung führen um die Probe unter Zentrifugation zu durchmischen oder Reduktionsmittel und andere, oder auch quellbare Substanzen oder Flüssigkeiten mit Löslichkeit zur Einengung von Lösungen.
In 4 sind verschiedene mögliche Einbauelemente für die Kavitäten illustriert.
4-a zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit Siphon. Der Siphon kann entweder über das Volumen oder über die Kapillarität gesteuert werden und kann dementsprechend zum Schalten von Flüssigkeiten in Abhängigkeit der Rotationsfrequenz oder in Abhängigkeit des Füllstands eingesetzt werden.
4-b zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit einem Bechereinbauelement. Der Becher bzw. der Schwingbechereinsatz kann durch Variationen der Zentrifugationsfrequenz in Schwingung versetzt werden. In dem Becher können dadurch Flüssigkeiten gemischt werden. Ferner weist das Bechereinbauelement an der Oberseite einen Dorn auf, welcher zum Aufstechen darüber liegender Reservoirs dient. Das gezeigte Bechereinbauelement kann daher beispielsweise in der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 der Vorrichtung 200 gemäß 2 eingesetzt werden, beispielsweise um mit dem Aufstechdorn die Verschlussmittel 210a, 210b des ersten Körpers 110 zu öffnen. Ferner enthält der Becherboden eine Sollbruchstelle, wodurch bei erhöhter Zentrifugationsfrequenz die Flüssigkeit durch Aufbrechen der Sollbruchstelle in der Kavität freigesetzt werden kann und die Kavität durch einen abführenden Kanal (oder eine Tropfnase) verlassen kann.
4-c zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit einem statischen Mischelement. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit in einem Becher des statischen Mischelements von einer überliegenden Kavität, aufgrund einer Zentrifugalkraft in den Becher fließen und über Löcher in dem Becher des Mischelements mit einer Flüssigkeit, welche bereits in dem Mischelement vorgelagert worden ist, vermischt werden.
4-d zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit einem dynamischen Mischelement. Eine Lochplatte bewegt sich abhängig von einer Drehzahl eines Rotors einer Zentrifuge nach oben und unten, um dabei, sich in dem dynamischen Mischelement befindende, Flüssigkeiten zu vermischen. Eine Federkraft der Feder kann dabei so angepasst sein, dass eine durch eine Rotation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft bei einer ersten Winkelgeschwindigkeit des Rotors kleiner als die Federkraft ist, und bei einer zweiten Winkelgeschwindigkeit des Rotors größer als die Federkraft ist. Die Feder kann dabei beispielsweise aus einem Elastomermaterial oder elastischen Polymermaterial gebildet sein und insbesondere durch Spritzguss hergestellt worden sein.
4-e zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit einem Einbau einer Silikafestphase für eine DNA-Extraktion oder eine Proteinaufreinigung. Die Kavität weist in ihrem Inneren einen Stapel aus einem Silikonring einer Silikamembran und einem porösen Support auf. Dieser Schichtstapel ist auf einer Auflage in der Kavität fixiert. Eine sich in der Kavität befindliche Flüssigkeit kann dabei, beispielsweise abhängig von einer Zentrifugationsfrequenz des Rotors, von einem ersten Bereich der Kavität durch die Silikamembran und den porösen Support hindurch in einen zweiten Bereich der Kavität geschleudert werden.
4-f zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit einer Track-Etch-Membran. Dies kann beispielsweise zu einer Partikel- oder Emulsionsherstellung mittels einer Track-Etch-Membran dienen. Eine Alginatlösung wird durch die in einem Ring eingepresste Track-Etch-Membran unter Einwirkung der Zentrifugationskraft in kleine Tröpfchen aufgeteilt. Die Tröpfchen können von einer Calciumlösung aufgefangen werden und zu festen Partikeln gelieren. Nach einem Zentrifugationsverfahren befindet sich in der Kavität damit ein geliertes Alginat. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass sich an die Kavität ein Körper mit einer weiteren Kavität anschließt, in welchem die Calciumlösung enthalten ist, so dass sich das gelierte Alginat in einer Kavität eines weiteren Körpers sammelt, beispielsweise so, dass der weitere Körper aus der Vorrichtung entnehmbar ist.
4-g zeigt ein Beispielspiel für eine Kavität mit einer dynamischen Aliquotierstruktur. Die Kavität kann dabei eine Aliquotierstruktur aufweisen und an einen Körper der Kavität kann sich dabei ein zweiter Körper anschließen, beispielsweise ein Gefäß mit Kammern, welche aus der Vorrichtung einzeln entnehmbar ist. Eine sich in der Kavität mit der Aliquotierstruktur befindliche Flüssigkeit verteilt sich gleichmäßig auf die Kammern des Gefäßes mit den Kammern, beispielsweise ansprechend auf eine Rotation des Rotors auf.
4-h zeigt ein Beispiel für eine Kavität mit einer statischen Aliquotierstruktur. Die Kavität mit der statischen Aliquotierstruktur ist daher als ein Gefäß mit Kammern ausgebildet, wobei sich in den einzelnen Kammern aliquotierte Flüssigkeiten befinden.
4-i zeigt ein Beispiel für eine Kombination von einem Siphon und einer Aliquotierstruktur, so kann beispielsweise in einer Kavität eines radial inneren Körpers ein Siphon angeordnet sein und ein radial äußerer Körper als ein Gefäß mit Kammern (mehreren Kavitäten) ausgebildet sein. Eine sich in der Kavität des radial inneren Körpers befindliche Flüssigkeit wird gleichmäßig, basierend auf einer durch die Rotation des Rotors erzeugten Zentrifugalkraft auf die einzelnen Kammern des radial äußeren Körpers verteilt.
Zu Beginn eines Prozesses, wie beispielsweise eines (bio-)chemischen Prozesses kann es notwendig sein, dass nicht System spezifische Materialien dem Prozess hinzugefügt werden. Beispielsweise kann eine Probe wie Blut aufgegeben werden. Die Probe kann dabei in der Regel auf einen Körper (in eine Kavität eines Körpers) gegeben werden, der während der Prozessierung radial am weitesten innen liegt. Beispielsweise kann die Probe in die erste Kavität 150a und/oder in die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 gemäß den 1a, 1b und 2 gegeben werden. Das Produkt des Prozesses (z. B. aus Blut extrahierte DNA) dagegen kann in der Regel dem radial am weitesten außen liegenden Körper (bzw. einer Kavität des am weitesteten außen liegenden Körpers) entnommen werden. Beispielsweise kann das Produkt des Prozesses aus der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 gemäß den 1a, 1b und 2 entnommen werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann daher der Körper, der das Produkt des Prozesses enthält, leicht aus dem Gebinde (bzw. der Vorrichtung 100 oder 200 gemäß den 1a, 1b, 2) entnommen werden, um Zugang zu dem Produkt des Prozesses (welches auch als Eluat bezeichnet werden kann) zu erhalten.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann, um eine Probe in eine der Kavitäten der Vorrichtung zu geben, mindestens eine der Kavitäten der Vorrichtung von außerhalb der Vorrichtung zugänglich sein. So kann die Vorrichtung beispielsweise einen Deckel aufweisen, welcher eine Kavität, welche bei einer Rotation der Vorrichtung radial am weitesten innen liegt, freigibt wenn er geöffnet ist.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann ein Gehäuse einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mindestens zwei voneinander separierbare Gehäuseteile aufweisen, so dass bei einer Separation der mindestens zwei Gehäuseteile mindestens einer der mindestens zwei Körper aus der Vorrichtung entnehmbar ist.
Im Folgenden sollen Beispiele beschrieben werden, die beispielsweise bei Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Zentrifugenröhrchen eine einfache Produktentnahme ermöglichen. Eine Vorrichtung bzw. ein Gebinde weist dazu eine leicht zu entnehmende Auffangvorrichtung auf, welche beispielsweise auch zur Aufbewahrung des Produkts geeignet sein kann und die im Format kompatibel zu Standardreaktionsgefäßen sein kann. Ein Auffanggefäß kann dabei entweder zentral oder dezentral zu der Vorrichtung angebracht werden.
5 zeigt verschiedene Realisierungsvarianten für derartige Auffangvorrichtungen bei Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Mit anderen Worten zeigt 5 Beispiele für vorteilhafte, leicht zu entnehmende Auffangvorrichtungen für das Produkt eines Prozesses (Eluat) bzw. Abfallflüssigkeiten (sogenannte Waste). Diese Auffangvorrichtungen können dabei beispielsweise in eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als ein weiterer Körper in dem Gehäuse 130 der Vorrichtung 100 gemäß den 1a, 1b angeordnet sein. Beispielsweise können die Auffangvorrichtungen so in dem Gehäuse 130 oder an dem Gehäuse 130 angeordnet sein, dass sie bei einer Rotation des Rotors radial am weitesten außen, im Vergleich zu dem anderen Körpern der Vorrichtung 100 angeordnet sind.
5-a zeigt einen Teil einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Gehäuse 130 und einem ersten Körper 110 mit einer ersten Kavität 150a und einer zweiten Kavität 150b. Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen zweiten Körper 120 mit einer ersten Kavität 160a auf. Ferner weist die Vorrichtung einen dritten Körper 510 in Form eines dezentralen Eluatröhrchens 510 auf, welches so in dem Gehäuse 130 angeordnet ist, dass, wenn die zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 mit der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fluidisch gekoppelt ist, auch das Eluatröhrchen 510 mit der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 fluidisch gekoppelt ist. Die Vorrichtung ist also so ausgebildet, dass in der zweiten Phase die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 sowohl mit der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 als auch mit dem Eluatröhrchen 510 gekoppelt ist. In der ersten Phase, in welcher die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 mit der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 fluidisch gekoppelt ist, ist die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 zusätzlich mit einem Abfallflüssigkeitenbehälter 520 des Gehäuses 130 fluidisch gekoppelt. Die erste Kavität 160a des zweiten Körpers 120 weist eine Säue auf, über welche sich, in der ersten Kavität 150a und in der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 befindliche, Flüssigkeiten prozessiert werden. Die Vorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass eine Flüssigkeit, welche sich in der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 befindet, in der ersten Phase über die Säule prozessiert wird, und eine dabei entstehende Abfallflüssigkeit in dem Abfallbehälter 520 des Gehäuses 130 aufgefangen wird. In der zweiten Phase kann dann eine sich in der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 befindliche Flüssigkeit über die Säue prozessiert werden, wobei ein dabei entstehendes Eluat in dem Eluatröhrchen 510 aufgefangen wird. Die Säule kann daher auch als rotierende Säule bezeichnet werden.
5-b zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung unterscheidet sich von der in 5-a gezeigten Vorrichtung dadurch, dass das Eluatröhrchen 510 zentral in dem Gehäuse 130, beispielsweise so dass eine Rotationsachse 250 der Vorrichtung auch eine Rotationsachse des Eluatröhrchens 510 bildet, angeordnet ist. Ferner weist die Vorrichtung zwischen dem zweiten Körper 120 und dem Eluatröhrchen 510 und dem Abfallflüssigkeitenbehälter 520 des Gehäuses 130 einen fixen Verteiler auf, welcher ausgebildet ist, um eine über die Säule prozessierte Flüssigkeit in der ersten Phase in den Abfallflüssigkeitenbehälter 520 zu leiten und in der zweiten Phase in das Eluatröhrchen 510 zu leiten. Der fixe Verteiler ist dabei selbst in dem Gehäuse 130 angeordnet, und der zweite Körper 120 ist wie auch schon in 5-a beschrieben, drehbar in dem Gehäuse 130 angeordnet.
5-c zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung unterscheidet sich von der in 5-b gezeigten Vorrichtung dadurch, dass das Eluatröhrchen 510 ein Schraubgewinde aufweist, beispielsweise mit einem Schraubverschluss (z. B. Saarstedt-Schraubdeckelröhrchen, 2 mm).
5-d zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung in 5-a dadurch, dass das dezentrale Eluatröhrchen 510 einen integrierten Deckel aufweist. Der Deckel kann dabei beispielsweise so ausgebildet sein, dass sich bei einem Herausziehen des Eluatröhrchens 510 aus dem Gehäuse 130 der Deckel des Eluatröhrchens 510 automatisch schließt.
5-e zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 5-e gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 5-d gezeigten Vorrichtung, dadurch, dass das dezentrale Eluatröhrchen 510 mit Deckel schräg in dem Gehäuse 130 platziert bzw. eingeführt ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Eluatröhrchen 510 (auch als Reaktionsgefäß bezeichnet) anstatt einem Deckel auch einen Schraubverschluss aufweisen.
5-f zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 5-f gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von denen in den 5-a bis 5-e gezeigten Vorrichtungen dadurch, dass das Eluat in einem weiteren Körper 510 (beispielsweise zusätzlich zu dem ersten Körper 110 und dem zweiten Körper 120) aufgefangen wird und dadurch, dass der weiteren Körper 510 an dem Gehäuse 130 angeordnet ist und von diesem abziehbar ist. Der weitere Körper 510 kann daher auch als abziehbarer Auffangrevolver bezeichnet werden, welcher Teil des Gehäuses 130 ist. Der abziehbare Auffangrevolver kann an dem Gehäuse 130 beispielsweise über einen Schraubverschluss befestigt oder an das Gehäuse 130 geklemmt sein.
5-g zeigt eine weitere Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 5-g gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich durch die in den 5-a bis 5-f gezeigten Vorrichtungen dadurch, dass das Eluatröhrchen 510 an das Gehäuse 130 angespritzt ist, und über eine Sollbruchstelle von dem Gehäuse 130 getrennt werden kann. Das Eluatröhrchen kann dabei eventuell mit einem Gewinde versehen sein. Das Eluat wird daher in dem angegossenen Eluatröhrchen mit einer Sollbruchstelle aufgefangen.
Sollen neben der Probe in der benachbarten Kavität noch Abfallflüssigkeiten gesammelt werden, die beispielsweise zum Teil noch benetzend sind, so kann ein Kapillarrückfluss durch Einbringen eines Saugschwamms in die Kavitäten verhindert werden.
6 zeigt eine Vorrichtung 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 600 unterscheidet sich von der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung 100 dadurch, dass sie innerhalb des Gehäuses 130 einen dritten Körper 510 aufweist. Der dritte Körper 510 ist in der Stapelrichtung in dem Gehäuse 130 so angeordnet, dass bei einer Rotation der Vorrichtung 600 um die Rotationsachse 140 der Zentrifuge ein Abstand l₃ des dritten Körpers 510 zu der Rotationsachse 140 größer ist, als der Abstand l₂ des zweiten Körpers 120 zu der Rotationsachse 140 der Zentrifuge. Wie auch bereits bei der Vorrichtung 100 ist der Abstand l₂ des zweiten Körpers 120 zu der Rotationsachse 140 der Zentrifuge größer, als der Abstand l₁ des ersten Körpers 110 zu der Rotationsachse 140 der Zentrifuge. Mit anderen Worten gesagt, ist der dritte Körper 510 bei einer Rotation der Vorrichtung 600 um die Rotationsachse 140 der Zentrifuge radial am weitesten außen angeordnet, und der erste Körper 110 radial am weitesten innen angeordnet, während der zweite Körper 120 zwischen dem ersten Körper 110 und dem dritten Körper 510 angeordnet ist. Ferner weist der erste Körper 110 eine Mehrzahl von Kavitäten R1–Rn auf, wobei n ein Index zu einer Anzahl der Kavität des ersten Körper 110 ist und n eine beliebige ganzzahlige Zahl sein kann. Die Kavitäten R1–Rn können darüber hinaus auch als Reagenzienvorlagerungskammern bezeichnet werden. Der erste Körper 110 kann daher genutzt werden zur Reagenzienvorlagerung, und außerdem kann eine Probe (wie beispielsweise Blut) in eine der Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn aufgegeben werden. In den Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn können beispielsweise alle Reagenzien, welche für die Durchführung eines spezifischen (bio-)chemischen Prozesses benötigt werden, vorgelagert werden. So können beispielsweise für eine DNA-Extraktion Reagenzien wie eine Lyase, eine Proteinase und weitere für eine DNA-Extraktion benötigte Reagenzien vorgelagert werden.
Ferner weist der zweite Körper 120 eine beliebige Mehrzahl von Kavitäten K1–Km auf, wobei m ein Index für eine Anzahl der Kavitäten des zweiten Körpers 120 ist, und wobei m einen beliebigen ganzzahligen Wert annehmen kann. Die Kavitäten K1–Km können auch als Prozessierungskavitäten K1–Km bezeichnet werden. Insbesondere kann in diesen Prozessierungskavitäten K1–Km eine Prozessierung der in den Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn vorgelagerten Reagenzien erfolgen. In anderen Worten kann der zweite Körper 120 Prozessierungskavitäten K1–Km zur Prozessierung (wie beispielsweise zum Mischen, zum Lysieren, zum Sedimentieren, zum Binden, oder auch zum Eluieren) aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der zweite Körper 120 Separationsvorrichtungen F aufweisen, welche beispielsweise radial hinter den Prozessierungskavitäten K1–Km in dem zweiten Körper 120 angeordnet sind.
Der dritte Körper 510 weist eine Mehrzahl von Kavitäten A1–Ak auf, wobei k ein Index für eine Anzahl der Kavitäten A1–Ak des dritten Körpers 510 ist, und wobei k einen beliebigen ganzzahligen Wert annehmen kann. Die Kavitäten A1–Ak können auch als Analysekammern A1–Ak bezeichnet werden. Die Analysekammern A1–Ak können zum Auffangen der in dem zweiten Körper 120 prozessierten Flüssigkeiten dienen. Die in den Analysekammern A1–Ak aufgefangenen Flüssigkeiten können zu einer Analyse oder einer weiteren Prozessierung genutzt werden. Mit anderen Worten kann der dritte Körper 510 mit seinen Analysekammern A1–Ak zum Auffangen, Auslesen und ggf. zum weiteren Prozessieren dienen. Der dritte Körper 510 kann dabei beispielsweise aus dem Gehäuse 130 entnehmbar sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse 130, welches ausgebildet ist, um in einer Halterung eines Rotors einer Zentrifuge eingesetzt zu werden, als eine Umhülsung mit den Maßen einer Standardkavität einer Laborzentrifuge ausgebildet sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die Körper 110, 120, 510 zylindrische Körper mit einer Rotationsachse 250 der Körper, welche in Stapelrichtung der Körper verläuft, sein.
In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine fluidische Kopplung der verschiedenen Kavitäten der drei Körper 110, 120, 510 durch ein Verdrehen des zweiten Körpers 120 um die Rotationsachse 250 der Körper erfolgen. So ist beispielsweise durch das Verdrehen des zweiten Körpers 120 jedweder fluidische Pfad von den Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn über die Prozessierungskavitäten K1–Km (und über die Separationsvorrichtung F, falls der zweite Körper 120 welche aufweist) nach den Analysekammern A1–Ak realisierbar. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann es aber auch möglich sein, dass sich der erste Körper 110 und/oder der dritte Körper 510 um die Rotationsachse 250 der Körper verdreht bzw. verdrehen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der zweite Körper 120 ausgebildet sein, um eine Translation, beispielsweise um einen Hub 260 durchzuführen. Die Translation des zweiten Körpers 120 kann aufgrund einer Wechselwirkung der durch die Rotation des Rotors um die Rotationsachse 140 der Zentrifuge erzeugten Zenirifugalkraft mit einer Gegenkraft, wie beispielsweise Federkraft, Magnetkraft oder Gewichtskraft erfolgen. Die Rotation des zweiten Körpers 120 um die Rotationsachse 250 der Körper kann dabei basierend auf der Translation des zweiten Körpers 120 mit einer geeigneten Mechanik (wie beispielsweise einer Kugelschreibenmechanik, wie sie beispielsweise noch von 9 erklärt wird oder einer Ratschenmechanik, wie sie noch anhand von 12 erklärt wird) hervorgerufen werden. Die Translation des zweiten Körpers 120, beispielsweise entlang der Rotationsachse 250 um einen Hub 260 kann ferner genutzt werden, um beispielsweise Verschlussmittel der Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn zu öffnen. Der zweite Körper 120 kann dazu beispielsweise einen oder mehrere Dorne aufweisen, welche bei einer Verschiebung des zweiten Körpers 120 in Richtung des ersten Körpers 110 Verschlussmittel, welche beispielsweise eine Membran sein können, der Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn öffnen kann bzw. können.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann eine Anzahl der Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn, eine Anzahl der Prozessierungskavitäten K1–Kn, eine Anzahl der Separationsvorrichtung F und eine Anzahl der Analysekammern A1–Ak bei verschiedenen Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung variieren, beispielsweise um eine Vorrichtung an einen bestimmten (bio-)chemischen Prozess anzupassen. So können beispielsweise für eine DNA-Extraktion eine andere Anzahl von Reagenzienvorlagerungskammern R1–Rn benötigt werden, als für eine Synthese von Radiopharmaka.
Gemäß einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann auch eine Anzahl der Körper bei verschiedenen Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung variieren, beispielsweise angepasst auf einen bestimmten (bio-)chemischen Prozess. Insbesondere können mit einer geeigneten Mechanik sich innerhalb eines Gehäuses 130 in der Vorrichtung befindliche Körper basierend auf einer Rotation eines Rotors einer Zentrifuge zueinander verdrehen.
7 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung 700 zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 700 unterscheidet sich von der in den 1a und 1b gezeigten Vorrichtung 100 dadurch, dass sie in Stapelrichtung einen dritten Körper 510 aufweist, welcher, wie in der Vorrichtung 600 gemäß 6 bei einer Rotation der Vorrichtung 700 um eine Rotationsachse 140 der Zentrifuge radial am weitesten außen bezüglich der anderen beiden Körper 110, 120 der Vorrichtung 700 angeordnet ist. Der dritte Körper 510 weist eine erste Kavität 720a und eine zweite Kavität 720b auf. Die erste Kavität 720a des dritten Körpers 510 kann beispielsweise ein Eluatsammelbehälter oder eine Eluatkammer sein und die zweite Kavität 720b des dritten Körpers 510 kann beispielsweise ein sogenannter Waste(Abfallflüssigkeiten)Sammelbehälter oder eine Wastekammer sein.
Ferner weist der zweite Körper 120 in seiner Kavität 160a eine Mischvorrichtung 730 auf, welche ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors mindestens zwei in der Kavität 160a befindliche Fluide miteinander zu vermischen. Die Mischvorrichtung 730 wird in 8c detailliert beschrieben.
Ferner weist der erste Körper 110 acht Kavitäten auf, beispielsweise als Reagenzienvorlagerungskammern.
Ferner weist das Gehäuse 130 zwei voneinander separierbare Gehäuseteile 132, 134 auf, so dass bei einer Separation dieser zwei Gehäuseteile 132, 134 mindestens einer der Körper der Vorrichtung 700 (beispielsweise der dritte Körper 510) aus der Vorrichtung 700 entnehmbar ist. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse 130 auch eine Mehrzahl von Gehäuseteilen 132, 134 aufweisen. Die einzelnen Gehäuseteile 132, 134 können beispielsweise über Federn und Nuten ineinander gesteckt sein oder auch über Schraubverbindungen miteinander verschraubt sein. Ein erstes Gehäuseteil 132 der beiden Gehäuseteile 132, 134 des Gehäuses 130 kann auch als eine erste Hülse 132 bezeichnet werden, und ein zweites Gehäuseteil 134 der beiden Gehäuseteile des Gehäuses 130 kann auch als eine zweite Hülse 134 bezeichnet werden. Wie 7 zeigt, wird, um das Gehäuse 130 zu schließen, die zweite Hülse 134 auf die erste Hülse 132 aufgesteckt.
Die drei Körper können jeweils auch als Revolver bezeichnet werden. So kann der erste Körper 110 als ein erster Revolver 110 bezeichnet werden, der zweite Körper 120 als ein zweiter Revolver 120 und der dritte Körper 510 als ein dritter Revolver 510.
Der erste Revolver 110 weist, wie bereits im Vorherigen beschrieben, eine Reagenzienvorlagerung auf.
Der zweite Revolver 120 weist, wie bereits im Vorhergehenden beschrieben, die Mischvorrichtung 730 auf. Der dritte Revolver 510 weist, wie bereits im Vorhergehenden beschrieben, eine Eluatkammer 720a und eine Wastekammer 720b auf.
Ferner weist die Vorrichtung 700 eine Feder 710 für die laterale Bewegung der drei Revolver 110, 120, 510 auf. Die Feder 710 dient dazu, um eine Rückstellkraft zu erzeugen, welche entgegengesetzt einer durch die Rotation des Rotors erzeugten Zentrifugalkraft wirkt, um einen Schaltvorgang (beispielsweise ein Verdrehen des zweiten Revolvers 120 bezüglich der anderen beiden Revolver) zu ermöglichen. Die Feder 710 kann beispielsweise vergleichbar einer Rückstellfeder für einen Kugelschreiber sein, eine Verdrehung des zweiten Revolvers 120 bezüglich der anderen beiden Revolver 110 und 510 kann auf einer Kugelschreibermechanik, welche anhand von 9 erklärt wird, basieren.
Die in 7 gezeigte Vorrichtung 700 mit drei Revolver 110, 120, 510 kann beispielsweise zum Zwecke der DNA-Extraktion eingesetzt werden. Wie bereits im Vorhergehenden beschrieben, kann eine Kugelschreibermechanik das Zentrifugationsprotokoll in eine schrittweise Verdrehung des zweiten Revolvers 120 gegenüber dem ersten Revolver 110 und gegenüber dem dritten Revolver 510 übersetzen.
Die Feder 710 unterhalb des dritten Revolvers 510 regelt den Abstand zu der Umhülsung bzw. zu dem Gehäuse 130, welches die zwei Gehäuseteile 132, 134 aufweist (oder aus diesen besteht). Durch die Wechselwirkung der Feder 710 mit der Zentrifugalkraft werden die drei Revolver 110, 120, 510 bewegt. Dadurch wird die Kugelschreibermechanik der Vorrichtung 700 angetrieben, und der zweite Revolver 120 bezüglich der anderen beiden Revolver 110, 510 verdreht.
Die Feder 710 kann als Druckfeder oder Zugfeder ausgebildet sein. Weiterhin kann gemäß weiteren Ausführungsbeispielen die Feder 710 auch als ein anderes Rückstellmittel ausgebildet sein, welches eine Rückstellkraft auf mindestens einen Körper der Vorrichtung 700 erzeugt. Insbesondere können als Rückstellmittel beispielsweise Elastomere (Gummiband), Metallfedern, Thermoplaste oder Duroplaste zum Einsatz kommen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Rückstellmittel als Bestandteil eines Körpers (beispielsweise als Bestandteil des dritten Körpers 510) gefertigt werden. Derartige Fertigungsmethoden sind aus der Verpackungsindustrie bekannt und werden z. B. bei der Fertigung von Deckeln von Tablettenröhrchen durch Spritzguss angewendet. Auf diese Weise kann sowohl die Teilezahl von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung reduziert werden, als auch der Zusammenbau vereinfacht werden.
8a zeigt links das erste Gehäuseteil 132 des Gehäuses 130 in einer Seitenansicht und einer Schnittansicht entlang einer Schnittachse A-A. Weiterhin zeigt 8a rechts das zweite Gehäuseteil 134 des Gehäuses 130 in einer Seitenansicht und einer Schnittansicht entlang einer Schnittachse A-A. Das zweite Gehäuseteil 134 bildet ein unteres Ende der Vorrichtung 700, d. h. bei einer Rotation der Vorrichtung 700 ist das zweite Gehäuseteil 134 radial am weitesten außen, und insbesondere radial weiter außen als das erste Gehäuseteil 132 angeordnet. Das erste Gehäuseteil 132 weist eine zylindrische Form und einen kreisrunden Querschnitt auf. An einer Grundseite 804 des ersten Gehäuseteils 132 weist das erste Gehäuseteil 132 zwei gegenüberliegende Haken 810 auf. Die zwei gegenüberliegenden Haken 810 sind ausgebildet, um in zwei gegenüberliegende Hakenaufnahmen 812 des zweiten Gehäuses 134 aufgenommen zu werden. Die beiden Haken 810 überragen die Grundseite 804 des ersten Gehäuseteils 132.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Gehäuseteil 132 ein Sichtfenster 814 (beispielsweise auf einem transparenten Kunststoffmaterial) aufweisen, welches beispielsweise in Kombination mit einer Anzeige an dem zweiten Körper 120 eine Phasenanzeige bildet, um eine Phase, in der sich die Vorrichtung 700 zum Zeitpunkt des Ablesen befindet, anzuzeigen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das erste Gehäuseteil 132 an einer Innenseite eine Mehrzahl von Führungsnuten 816 aufweisen, welche sich zumindest in einem Teilbereich des Innenbereichs des ersten Gehäusteils 132 in einer zu einer Deckseite 802 des ersten Gehäuseteils 132 orthogonalen Richtung erstrecken. Die Führungsnuten 816 können an einem der Grundseite 804 zugewandten Ende jeweils abgeschrägte Enden aufweisen. Der Innenbereich des ersten Gehäuseteils 132 kann beispielsweise von der Grundseite 804 des ersten Gehäuseteils 132 zugänglich sein, beispielsweise um die drei Revolver 110, 120, 510 in das erste Gehäuseteil 132 einzuschieben. Ferner kann das erste Gehäuseteil 132 an seiner Deckseite 802 offen oder geschlossen sein und kann beispielsweise einen Deckel an der Deckseite 802 aufweisen.
Das zweite Gehäuseteil 134 weist an einer Deckseite 806 denselben kreisrunden Querschnitt wie das erste Gehäuseteil 132 an seiner Grundseite 804 auf. Die Hakenaufnahmen 812 sind, angepasst an die Haken 810 des ersten Gehäuseteils 132, rückversetzt gegenüber der Deckseite 806 des zweiten Gehäuseteils 134 an dem zweiten Gehäuseteil 134 angeordnet. Der kreisrunde Querschnitt des zweiten Gehäuseteils 134 kann sich in einem Bereich, in welchem sich die Hakenaufnahmen 812 nicht mehr erstrecken, zu einer Grundseite 808 des zweiten Gehäuseteils 134 verjüngen, d. h. das Gehäuseteil 134 kann an einem der Deckseite 806 gegenüberliegenden Ende kegelstumpfförmig ausgebildet sein. Innerhalb des kegelstumpfförmigen Endes kann das Gehäuseteil 134 eine Aufnahme 818 für die Feder 710 aufweisen. Ein Innenbereich des zweiten Gehäuseteils 134 kann von der Deckseite 806 des zweiten Gehäuseteils 134 zugänglich sein, beispielsweise um den dritten Körper 510 aufzunehmen, bzw. diesen aus dem Gehäuse 130 zu entnehmen.
Eine Länge von der Deckseite 802 zu der Grundseite 804 des ersten Gehäuseteils 132 kann größer als eine Länge von der Deckseite 806 zu der Grundseite 808 des zweiten Gehäuseteils 134 sein.
Das Gehäuse 130 und damit die beiden Gehäuseteile 132, 134 können in ihren Außenmaßen einer Standardlaborzentrifugenkavität, beispielsweise mit einem Volumen von 500 ml, 250 ml, 50 ml, 18 ml–12 ml, 15 ml, 2 ml, 1,5 ml, oder 0,5 ml entsprechen.
8b zeigt schematische Darstellungen des ersten Körpers 110 der Vorrichtung 700 gemäß 7. 8b-a zeigt den ersten Körper 110 bzw. den ersten Revolver 110 in einer Seitenansicht. Wie im Vorherigen bereits erwähnt, ist der erste Körper 110 ein zylindrischer Körper 110 mit einer Deckseite 820 und einer gegenüberliegenden Grundseite 822. Der erste Körper 110 weist an seiner Außenseite eine Mehrzahl von Führungsfedern 824 auf. Die Anzahl der Führungsfedern 824 kann beispielsweise an die Anzahl der Führungsnuten 816 des ersten Gehäuseteils 132 (also des Gehäuses 130) angepasst sein. Die Führungsfedern 824 des ersten Körpers 110 sind ausgebildet, um Eingriff mit den Führungsnuten 816 des Gehäuseteils 132 zu nehmen. Die Führungsfedern 824 können (in Verbindung mit den Führungsnuten 816 des ersten Gehäuseteils 132) ausgebildet sein, um eine Verdrehung des ersten Körpers 110 bezüglich der anderen Körper 120, 510 (beispielsweise bei einem Übergang von einer ersten Phase in eine zweite Phase) zu verhindern. Die Führungsfedern 824 des ersten Körpers 110 können an der Deckseite 820 zugewandten Enden abgeschrägt sein, beispielsweise um ein einfacheres Einsetzen des ersten Körpers 110 in das Gehäuse 130 (also in das zweite Gehäuseteil 134) zu ermöglichen. Aufgrund der abgeschrägten Enden der Führungsfedern 824 ist ein Verkeilen der Führungsfedern 824 mit den Führungsnuten 816 des ersten Gehäuses 132, beim Einsetzen des ersten Körper 110, ausgeschlossen (oder wenigstens nahezu ausgeschlossen).
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der erste Körper 110 an seiner Grundseite 822 eine Mehrzahl von Profilzähnen 826 aufweisen, welche umlaufend um den ersten Körper 110 angeordnet sind. Eine Anzahl der Profilzähne 826 kann beispielsweise angepasst an eine Anzahl der in der Vorrichtung durchzuführenden Prozessschritte sein. So kann eine Anzahl der Profilzähne bei verschiedenen Vorrichtungen, welche für verschiedene (bio-)chemische Prozesse geeignet sind, variieren. Analog dazu kann auch die Anzahl der Führungsfedern 824 sowie der Führungsnuten 816 variieren. In dem in den 8a und 8b gezeigten Ausführungsbeispiel weist das erste Gehäuseteil 132 acht Führungsnuten 816 auf. Darüber hinaus weist der erste Körper 110 acht Führungsfedern 824 und acht Profilzähne 826 auf.
Die Profilzähne 826 können beispielsweise ausgebildet sein, um eine Führung des zweiten Körpers 120 bzw. des zweiten Revolvers 120 zu ermöglichen. Mit anderen Worten zeigt 8b-a in einer Seitenansicht des ersten Revolvers 110 Strukturen für die Kugelschreibermechanik mit Nuten zwischen Führungsfedern 824 zur Führung in der Säule (in dem ersten Gehäuseteil 132) und Aussparungen (Profilzähne 826) zur Führung des zweiten Revolvers 120.
8b-b zeigt eine Draufsicht auf den ersten Revolver 110 mit einer Vielzahl von Kavitäten für die Reagenzienvorlagerung. In dem hier gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel weist der erste Revolver 110 acht Kavitäten auf In den acht Kavitäten können beispielsweise acht verschiedene Reagenzien zur Prozessierung vorgelagert werden.
8b-c zeigt eine Ansicht von unten auf den ersten Revolver 110 mit Bahnen von drei Dornen, die beispielsweise an dem zweiten Revolver 120 zum Öffnen von Verschlussmitteln der Kavitäten des ersten Revolvers 110 angeordnet sind. Die drei Dorne stechen jeweils die Kammern (die Kavitäten) mit den vorgelagerten Reagenzien an. In 8b-c sind die jeweiligen Bahnen, die die einzelnen Dorne bei der Verdrehung des zweiten Körpers 120 bezüglich des ersten Körpers 110 beschreiten, dargestellt. Eine Bahn eines ersten Dorns 828a ist mit einem gepunkteten Pfeil dargestellt. Eine Bahn eines zweiten Dorns 828b ist mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt und eine Bahn eines dritten Dorns 828c ist mit einem durchgezogenen Pfeil dargestellt. Die einzelnen Zahlen in den jeweiligen Kavitäten zeigen sowohl in der 8b-b als auch in der 8b-c an, in welcher Phase, also auch in welcher Reihenfolge die einzelnen Kavitäten bzw. deren Verschlussmittel von einem der Dorne aufgestochen werden. So wird beispielsweise eine erste Kavität 150a des ersten Körpers 110 in einer ersten Phase von dem ersten Dorn 828a aufgestochen. Eine in der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 befindliche Flüssigkeit bzw. ein Prozessmittel kann dann in eine Kavität des zweiten Körpers 120 fließen. In einer zweiten Phase, in welcher der zweite Körper 120 bezüglich des ersten Körpers 110 um einen Schritt verdreht ist (gegenüber der ersten Phase) wird eine zweite Kavität 150b des ersten Körpers 110 von dem ersten Dorn 828a aufgestochen, so dass eine in der zweiten Kavität 150b des ersten Körpers 110 befindliche Flüssigkeit in eine Kavität des zweiten Körpers 120 fließen kann (beispielsweise in die gleiche Kavität, in die auch schon die Flüssigkeit aus der ersten Kavität 150a des ersten Körpers 110 geflossen ist). In einer dritten Phase wird eine dritte Kavität 150c von dem ersten Dorn 828a aufgestochen, so dass eine in der dritten Kavität 150c befindliche Flüssigkeit in eine Kavität des zweiten Körpers 120 fließen kann. Der erste Dorn 828a kann dabei so mit einer Kavität des zweiten Körpers 120 verbunden sein, so dass Flüssigkeiten von Kavitäten, welche von dem ersten Dorn 828a aufgestochen wurden, alle in ein- und dieselbe Kavität innerhalb des zweiten Körpers 120 fließen. In einer vierten Phase wird eine siebte Kavität 150g des ersten Körpers 110 von dem zweiten Dorn 828b aufgestochen, so dass eine in der siebten Kavität 150g befindliche Flüssigkeit in eine Kavität des zweiten Körpers 120 fließt. In einer fünften Phase wird eine achte Kavität 150h des ersten Körpers 110 von dem zweiten Dorn 828b aufgestochen, so dass eine Flüssigkeit, welche sich in der achten Kavität 828a befindet, in eine Kavität des zweiten Körpers 120 (beispielsweise dieselbe Kavität, in welche die Flüssigkeit aus der siebten Kavität 150g geflossen ist) fließt. Der zweite Dorn 828b kann dabei analog zu dem ersten Dorn 828a so ausgebildet sein, dass Flüssigkeiten aus Kavitäten, welche von dem zweiten Dorn 828b aufgestochen werden, in eine gemeinsame Kavität im zweiten Körper 120 fließen oder zumindest über einen gemeinsamen Fluidweg in dem zweiten Körper 120 verlaufen. In einer sechsten Phase wird eine vierte Kavität 150d von dem dritten Dorn 828c aufgestochen, so dass eine Flüssigkeit, welche sich in der vierten Kavität 150d befindet, in eine Kavität des zweiten Körpers 120 fließt. In einer fünften Kavität 150e und einer sechsten Kavität 150f können weitere Reagenzien vorgelagert sein, oder keine Reagenzien vorgelagert sein.
Um zu verhindern, dass ein Dorn eine Kavität aufsticht bevor die Flüssigkeit aus der jeweiligen Kavität benötigt wird, können die Dorne versetzt an dem zweiten Körper 120 angeordnet sein, und die Verschlussmittel der jeweiligen Kavitäten nur an bestimmten Stellen, welche in den 8b-b und 8b-c schraffiert markiert sind, von den Dornen durchstechbar sein. Des Weiteren ist es auch möglich, dass die einzelnen Dorne 828a, 828b, 828c in einer Phase, in welcher sie benötigt werden, aus dem zweiten Körper 120 ausgefahren werden und in einer anderen Phase in den Körper 120 eingefahren sind. Dies kann beispielsweise über das Zentrifugationsprotokoll initiiert werden.
8c zeigt den zweiten Körper 120 (den zweiten Revolver 120) aus verschiedenen Ansichten. 8c-a zeigt den zweiten Körper 120 in einer Seitenansicht. 8c-b zeigt den zweiten Körper in einer Schnittdarstellung entlang einer Schnittachse A-A. 8c-c zeigt den zweiten Körper 120 in einer isometrischen Ansicht. 8c-d zeigt den zweiten Körper 120 in einer Draufsicht. 8c-e zeigt den zweiten Körper 120 in einer weiteren Schnittdarstellung entlang einer Schnittachse B-B. Der zweite Körper 120 ist ein zylindrischer Körper mit einer Deckseite 830 und einer dazu gegenüberliegenden Grundseite 832. Der zweite Körper 120 weist an seiner Deckseite 830, welche auch als Deckel bezeichnet werden kann, die drei Dorne 828a, 828b, 828c auf. Die drei Dorne weisen einen unterschiedlichen Abstand von einer Rotationsachse 250 des Körpers 120 auf. Der erste Dorn 828a ist am weitesten von der Rotationsachse 250 entfernt und der dritte Dorn 828c ist am geringsten von der Rotationsachse entfernt. Der zweite Körper 120 weist ferner eine Mehrzahl von Führungsfedern 834 auf, welche an einer Außenseite des zweiten Körpers 120 angeordnet sind. In dem in 8c gezeigten Ausführungsbeispiel weist der zweite Körper 120 vier Führungsfedern 834 auf. Die Führungsfedern 834 überragen die Deckseite 830 des zweiten Körpers 120 und weisen in einem Endbereich, in welchem sie die Deckseite 830 überragen, jeweils abgeschrägte Enden auf. Die Führungsfedern sind so ausgebildet, um bei einem Übergang von einer Phase der Vorrichtung 700 in eine nächste Phase (beispielsweise von der ersten Phase in die zweite Phase) wechselseitig mit den Profilzähnen 826 des ersten Körpers 110 und den Führungsnuten 816 des Gehäuses 130 Eingriff zu nehmen. Eine Anzahl der Führungsfedern 834 kann von der Anzahl der zu beschreitenden Prozessschritte für einen Prozess, für welchen die Vorrichtung 700 vorgesehen ist, abhängig sein.
Ferner kann der zweite Körper 120 eine Mischvorrichtung 730 aufweisen, welche ausgebildet ist, um mindestens zwei verschiedene Fluide oder Flüssigkeiten innerhalb der ersten Kavität 160a des zweiten Körpers 120 zu vermischen. Die Kavität 160a des zweiten Körpers 120 kann daher im Folgenden auch als Mischkammer 160a bezeichnet werden. Die Mischvorrichtung 730 weist innerhalb der Mischkammer 160a eine erste Mischfeder 836 zum Mischen auf. Weiterhin weist die Mischvorrichtung 730 eine in der Mischkammer 160a an dem ersten Körper 120 arretierte Separationsvorrichtung 840 oder Lochwanne 840 mit (Durchgangs-)Öffnungen 845 (oder Löchern 845) auf. Die Lochwanne 840 kann auch als Lochplatte 840 bezeichnet werden. Die Öffnungen 845 der Lochwanne 840 sind an der Lochwanne 840 so angeordnet, dass bei einer Aufnahme der Vorrichtung 700 in einem Rotor eine Zentrifuge, und bei einer Rotation des Rotors die Öffnungen 845 radial am weitesten außen bezüglich der Lochwanne 840 angeordnet sind. Die Lochwanne 840 kann zu der Deckseite 830 des zweiten Körpers 120 offen sein, so dass eine Flüssigkeit von einer Kavität des ersten Körpers 110 in die Kavität 160a des zweiten Körpers 120, und damit in die Lochwanne 840 fließen kann. Ferner weist die Mischvorrichtung 730 in der Mischkammer 160a eine Mischwanne 835 oder eine Mischschale 835 auf. Die Mischwanne 835 ist beweglich bezüglich der Lochwanne 840 innerhalb der Mischkammer 160a gelagert. Die Mischwanne 835 ist so angeordnet, dass bei einer Rotation der Vorrichtung 700 die Mischwanne 835 radial weiter außen als die Lochwanne 840 angeordnet ist. Eine Flüssigkeit, welche sich in der Lochwanne 840 befindet kann, aufgrund der durch die Rotation entstehenden Zentrifugalkraft durch die Öffnungen 845 von der Lochwanne 840 in die Mischwanne 835 fließen. Die Lochwanne 840 und die Mischwanne 835 sind dabei so ausgebildet, dass bei einer Bewegung der Mischwanne 835 die Lochwanne 840 in die Mischwanne 835 eingefahren werden kann. Die Mischwanne 835 weist daher einen größeren Querschnitt als die Lochwanne 840 auf, um die Lochwanne 840 bei der Bewegung der Mischwanne 835 aufzunehmen. Die Mischwanne 835 weist eine Überhöhung 846 zur Aufnahme der ersten Mischfeder 836 auf. Ferner weist die Lochwanne 840 eine Überhöhung 848 auf, welche angepasst an die Überhöhung 846 der Mischwanne 835 ist, so dass die Lochwanne 840, bei einer Bewegung der Mischwanne 835 zu der Lochplatte 840 hin von der Mischwanne 835 aufgenommen werden kann. Die erste Mischfeder 836 ist dabei so zwischen der Mischwanne 835 und dem zweiten Körper 120 angeordnet, um eine, entgegengesetzt der Zentrifugalkraft wirkende, Rückstellkraft auf die Mischwanne 835 auszuüben.
Ferner kann die Mischwanne 835 ein Loch 841 (oder mehrere Löcher 841) mit einem Verschlussmittel, wie beispielsweise eine Deckelfolie 847, aufweisen. Das Loch 841 der Mischwanne 835 ist dabei so an der Mischwanne 835 angeordnet, dass bei einer Rotation des Rotors das Loch 841 radial am weitesten außen bezüglich der Mischwanne 835 angeordnet ist. An dem zweiten Körper 120 kann ein Dorn 833 angeordnet sein. Der Dorn 833 kann dabei so an dem zweiten Körper 120 angeordnet sein, um ansprechend auf eine gegebene Winkelgeschwindigkeit des Rotors die Deckelfolie 847 des Lochs 841 zu durchstechen. Der Dorn 833 bildet in Verbindung mit dem Loch 841 und der Deckelfolie 847 damit ein Ventil der Mischwanne 835 und auch der Mischkammer 160a des zweiten Körpers 120. Die Mischvorrichtung 730 kann ferner innerhalb der Mischkammer 160a eine zweite Mischfeder 837 aufweisen. Die zweite Mischfeder 837 kann, wie die erste Mischfeder 836, zwischen der Mischwanne 835 und dem zweiten Körper 120 angeordnet sein, wobei eine Federkonstante der zweiten Mischfeder 837 größer als eine Federkonstante der ersten Mischfeder 836 sein kann. Das heißt eine durch die erste Mischfeder 836 erzeugte Rückstellkraft ist geringer als eine durch die zweite Mischfeder 837 erzeugte Rückstellkraft.
Ferner kann der zweite Körper 120 an seiner Grundseite 832 eine Abtropfnase 843 aufweisen.
In Abhängigkeit von der Rotationsfrequenz oder einer Winkelgeschwindigkeit eines Rotors einer Zentrifuge bewegt die erste Mischfeder 836 die Mischwanne 835 innerhalb der Kavität 160a (der Mischkammer 160a) auf und ab, wodurch eine sich in der Mischkammer 160a befindliche Flüssigkeit mit einer anderen in der Mischkammer 160a befindlichen Flüssigkeit vermischt wird. Mit anderen Worten wird durch die wechselnde Zentrifugalkraft bei einer Veränderung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors und die entgegengesetzt der Zentrifugalkraft wirkende Rückstellkraft der ersten Mischfeder 836 die Mischwanne 835 bewegt. Also wird die Mischwanne 835 durch die Zentrifugalkraft zu einem Punkt radial weiter außen bewegt, und die erste Mischfeder 836 wirkt dieser Bewegung entgegen. Durch die wechselnde Drehfrequenz der Zentrifuge bewegt sich die Mischwanne 835 hin und her. Eine in der Mischwanne 835 vorhandene Flüssigkeit wird bei jeder Bewegung der Mischwanne 835 durch die Öffnungen 845 der Lochwanne 840 transportiert. Dies hat bei einem geeigneten Design der Lochwanne 840 und der Öffnungen 845 eine Durchmischung zur Folge. Mit anderen Worten strömt die Flüssigkeit bei veränderlicher Federlänge durch die Öffnungen 845 der Lochwanne 840, wodurch ein Mischvorgang erfolgt. Diese Mischung wird dabei durch die Wechselwirkung von Zentrifugalkraft und Rückstellkraft (erzeugt durch die erste Mischfeder 836) realisiert. Die Veränderung in der Drehfrequenz der Zentrifuge (oder in der Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge) bewegt die Mischwanne (oder Mischschale) 835 von einem radial weiter innen gelegenen zu einem radial weiter außen gelegenen Ort und umgekehrt. Die in der Mischschale 835 vorhandene Flüssigkeit wird dabei durch die Öffnungen 845 der Lochwanne 840 geleitet, was eine Durchmischung zur Folge hat.
Die zweite Mischfeder 837 dient zur Schaltung des Ventils (gebildet aus dem Loch 841, der Deckelfolie 847 und dem Dorn 833). Wie bereits erwähnt, hat die zweite Mischfeder 837 eine höhere Federkonstante als die erste Mischfeder 836, dadurch wird erst bei vergleichsweise hohen Drehfrequenzen der Zentrifuge die zweite Mischfeder 837 gestaucht und der Dorn 833 öffnet die Deckelfolie 847 des Lochs 841. Eine für die Stauchung der zweiten Mischfeder 837 benötigte Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge kann dabei, insbesondere, größere sein, als eine für eine Stauchung der ersten Mischfeder 836 benötigte Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Ferner kann eine Federkonstante der ersten Mischfeder 836 größer sein, als eine Federkonstante der Feder 710, welche zur Verdrehung des zweiten Körpers 120 bezüglich der anderen beiden Körper 110, 510 der Vorrichtung 700 dient.
Nach der Öffnung der Deckelfolie 847 mit dem Dorn 833 kann die in der Mischwanne 835 befindliche Flüssigkeit den zweiten Revolver 120 über eine Säule 838 (beispielsweise über ein Silikasäule 838) in der Mischkammer 160a durch die Abtropfnase 843 verlassen und beispielsweise in den Abfallsammelbehälter (in die Wastekammer) 720b oder in den Eluatsammelbehälter (in die Eluatkammer) 720a des dritten Körpers 510 fließen.
Die Dorne 828a, 828b, 828c können an der Deckseite 830 des zweiten Körpers 120 Fluidführungen beispielsweise in Form von Trichtern und anschließenden Kanälen oder in Form von Abschrägungen aufweisen so, dass sie verschiedene Wege für Fluide deren Kavitäten sie aufstechen, innerhalb der Mischkammer 160a, ermöglichen.
So können beispielsweise Fluide, welche durch den ersten Dorn 828a freigesetzt wurden, mit einer ersten Fluidführung 829a, welche als eine Abschrägung ausgebildet ist, direkt in die Lochwanne 840 geleitet werden. Fluide, welche von dem zweiten Dorn 828b freigesetzt wurden, können beispielsweise mit einer zweiten Fluidführung 829b, welche als ein Trichter mit einem Kanal, der an der Lochwanne 840 und der Mischwanne 835 vorbei führt, ausgebildet ist, auf die Säule 838 oder in einen Bereich der Mischkammer 160a, außerhalb der Mischwanne 835, geleitet werden. Der Bereich kann beispielsweise fluidisch mit der Säule 838 verbunden sein, so dass das Fluid von dem Bereich auf die Säule 838 fließt. Fluide, welche von dem dritten Dorn 828c freigesetzt wurden, können beispielsweise mit einer dritten Fluidführung 829c, welche auch als ein Trichter mit einem Kanal, der an der Lochwanne 840 und der Mischwanne 835 vorbei führt, ausgebildet ist, direkt über die Säule 838 geführt werden. Der Kanal der dritten Fluidführung 829c kann dabei einen kleineren Querschnitt als der Kanal der zweiten Fluidführung 829b aufweisen, beispielsweise so, dass ein Fluid durch die dritte Fluidführung 829c langsamer fließt als durch die zweite Fluidführung 829b.
Ferner kann die Mischkammer 160a, in einem Bereich unterhalb der Mischwanne 835 (radial weiter außen als die Mischwanne 835) kegelstumpfartig zu laufen, beispielsweise um einen Trichter hin zu der Tropfnase 843, für die sich in der Mischkammer 160a befindenden Fluide, zu bilden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Ventil in der Mischkammer 160a auch als eine Sollbruchstelle oder ein Siphon ausgebildet sein, beispielsweise um mehrere Flüssigkeiten bzw. Reagenzien aus dem ersten Körper 110 innerhalb der Mischkammer 160a miteinander zu vermischen, und um in einem vorgegebenen Prozessschritt dieses Ventil oder die Sollbruchstelle oder den Siphon zu öffnen, so dass die vermischten Reagenzien die Mischkammer 160a (beispielsweise über die Tropfnase 843) verlassen können.
Wie bereits im Vorhergehenden beschrieben, kann die Mischkammer 160a an einem der Grundseite 832 zugewandten Ausgang (an der Tropfnase 843) eine (chromatographische) Säule 838 aufweisen, wie sie beispielsweise für eine DNA-Extraktion zur Bildung von Reagenzien benötigt wird. Eine vermischte Flüssigkeit kann dabei, wie oben beschrieben, über ein Ventil oder über eine Sollbruchstelle oder über einen Siphon über die Säule 838 geleitet werden. Wie oben bereits beschrieben, kann die Mischkammer 160a eine Folie 847 oder eine Membran 847 aufweisen, welche von einem sich in dem zweiten Körper 120 befindlichen Dorn 833 ansprechend auf eine gegebene Winkelgeschwindigkeit des Rotors durchstochen werden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, kann die Mischwanne 835, in dem zweiten Körper 120 arretiert sein oder auf der zweiten Mischfeder 837 gelagert sein. Dabei kann sich die Lochwanne 840, basierend auf der veränderlichen Winkelgeschwindigkeit des Rotors, innerhalb der Mischwanne 835 auf und ab bewegen. Die erste Mischfeder 836 kann dazu beispielsweise zwischen der Mischwanne 835 und der Lochwanne 840 angeordnet sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, kann der zweite Körper 120 eine Mehrzahl von Kavitäten und damit auch eine Mehrzahl von Mischkammern, bespielsweise mit separaten Mischvorrichtungen aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der zweite Körper 120 an seiner Außenseite eine Skalenanzeige 842 aufweisen, welche beispielsweise in Verbindung mit dem Sichtfenster 814 des ersten Gehäuseteils 132 eine Phasenanzeige der Vorrichtung 700 bilden kann. Die Skalenanzeige 842 kann beispielsweise einfach realisiert aus Buchstaben und/oder Zahlen bestehen, welche eine Phase der Vorrichtung 700 anzeigen.
8d zeigt den dritten Körper 510 (den dritten Revolver 510) in zwei verschiedenen Ansichten. 8d-a zeigt den dritten Körper 510 in einer Seitenansicht und 8d-b zeigt den dritten Körper 510 in einer isometrischen Ansicht. Der dritte Körper 510 ist ein zylindrischer Körper mit einer Deckseite 850 und einer dazu gegenüberliegenden Grundseite 852. Der dritte Körper 510 weist, wie anhand von 7 bereits beschrieben, eine Wastekammer 720b und eine Eluatkammer 720a zum Auffangen des Eluats, wie beispielsweise der aufkonzentrierten DNA, auf. Ferner weist der dritte Körper 510 Führungsfedern 854 an seiner Außenseite auf, beispielsweise um eine Verdrehung des dritten Körpers 510 bei einem Übergang von einer Phase in eine nächste Phase der Vorrichtung 700 zu verhindern.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der dritte Körper 510 so ausgebildet sein, dass er entnehmbar aus dem Gehäuse 130 ist, beispielsweise um eine Weiterverarbeitung der in der Eluatkammer 720a aufgefangenen Flüssigkeit durchzuführen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann der dritte Körper 510 auch eine beliebige Mehrzahl von Kavitäten aufweisen.
Der dritte Revolver 510 kann darüber hinaus auch als Auffangrevolver für die Abfallflüssigkeit (Waste) und das Eluat bezeichnet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 700 auch eine beliebige Mehrzahl von Körpern aufweisen, wobei jeder der Körper eine beliebige Vielzahl von Kavitäten aufweisen kann, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Prozessierung, für welche die Vorrichtung geeignet ist.
Anhand von 9 soll nun das Prinzip der Kugelschreibermechanik erklärt werden, wie dies von der Vorrichtung gemäß 7 verwendet wird. In den Zeichnungen verwendete Bezugszeichen dienen lediglich der Illustration, welche Teile des Kugelschreiberprinzips zu welchen Teilen der Vorrichtung 700 korrespondieren.
Die bei der Vorrichtung 700 gemäß 7 verwendete Druckmechanik basiert auf einem Prinzip, wie sie auch im Kugelschreiber Verwendung findet. Die Druckmechanik eines Kugelschreibers sorgt dafür, dass die Schreibmine entweder im Griffrohr verschwindet oder aus dem Gehäuse ragt, bereit zum Schreiben. Die unterschiedlichen Positionen der Mine werden über verzahnte Elemente realisiert, wobei sich Elemente beim Bedienen der Druckmechanik ebenfalls relativ zueinander verdrehen. Diese Verdrehung wird bei als Werbematerial eingesetzten Kugelschreibern auch benutzt, um einen sich bei jedem Druck veränderten Text anzuzeigen. Eine derartige Druckmechanik beim Kugelschreiber umfasst die folgenden vier Elemente, einen Stator, welcher bei der Vorrichtung 700 durch das Gehäuse 130 und die Führungsnuten 816 gebildet wird, einen Kolben, welcher bei der Vorrichtung 700 durch den ersten Körper 110 mit seinen Führungsfedern 824 und den Profilzähnen 826 gebildet wird, einen Rotor, welcher bei der Vorrichtung 700 durch den zweiten Körper 120 und seine Führungsfedern 834 gebildet wird und eine Feder, welche bei der Vorrichtung 700 durch die Feder 710 gebildet wird.
9 links zeigt schematisch das Zusammenspiel der vier Elemente in einem Kugelschreiber. Der Stator (Hülse) ist in dieser Darstellung ähnlich einer Explosionszeichnung weiter oben dargestellt und umgibt normalerweise den Kolben (Druckhülse) und den Rotor (Vorschubhülse). Der Stator sorgt mit einem eingebrachten Profil (Führungsnuten 816) dafür, dass sich der Kolben (erster Körper 110) lediglich nach oben bzw. nach unten bewegen kann. Der Rotor (zweiter Körper 120) kann sich dagegen sowohl vertikal bewegen als auch um die Rotationsachse (beispielsweise die Rotationsachse 250) drehen.
Stator (Gehäuse 130) und Kolben (erster Körper 110) sorgen zusammen für die Verdrehung des Rotors (zweiter Körper 120) beim Nachlassen der manuellen Druckkraft (in der Vorrichtung 700 beim Nachlassen der Zentrifugalkraft). Zuerst entsteht zwischen Kolben (erster Körper 110) und Rotor (zweiter Körper 120) die benötigte waagerechte Kraftkomponente, kurze Zeit später zwischen Rotor (zweiter Körper 120) und Stator (Gehäuse 130). Bei Kugelschreibern kann über unterschiedlich lange Nuten im Stator der Rotor an vertikal unterschiedlichen Positionen einrasten.
Bei Kugelschreibern führt also ein Wechsel von manueller Druckkraft und einer durch eine Feder erfolgte Rückstellkraft zu einer schrittweisen Verdrehung des Rotors.
9 rechts zeigt das Profil der Druckmechanik, das für die Verdrehung erforderlich ist. Da die Feder ständig nach oben drückt, entsteht an den schrägen Enden, die an den Elementen angebracht sind, ein waagerechter Kraftanteil. Dieser wird für die Verdrehung genutzt. Durch die Verdrehung können die Zustände Mine ausgefahren und Mine eingefahren definiert werden. Mit anderen Worten entsteht an schrägen Profilen eine horizontale Kraftkomponente und sorgt dafür, dass sich der Rotor verdreht.
Eine solche Kugelschreibermechanik ist auch in der Schrift DE20000422U1 gezeigt.
10 zeigt eine Winkelgeschwindigkeit über Zeitdiagramm. Ω steht dabei für eine Winkelgeschwindigkeit eines Rotors einer Zentrifuge, in welcher eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (beispielsweise die Vorrichtung 700) eingebracht ist. Zu verschiedenen Zeitpunkten weist der Rotor der Zentrifuge damit verschiedene Winkelgeschwindigkeiten auf. Auf einer Kurve 1010 des Diagramms sind verschiedene Winkelgeschwindigkeit-Zeit Kombinationen mit den Zeichen 11a–11f markiert, was bedeutet, dass eine Winkelgeschwindigkeit-Zeit Kombination 11a mit der 11a korrespondiert, eine Winkelgeschwindigkeit-Zeit Kombination 11b mit der 11b korrespondiert usw. Die Kurve 1010 zeigt damit beispielhaft einen schematischen Drehfrequenzverlauf während eines Arbeitsschritts der Vorrichtung 700.
Die 11a–11f zeigen einen Teilbereich einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (beispielsweise der Vorrichtung 700) gemäß 7. Der Teilbereich zeigt die Verzahnung des ersten Körpers 110 mit dem zweiten Körper 120.
11a zeigt die Vorrichtung in Ausgangsposition, eine Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist in der Ausgangsposition bezüglich des Drehfrequenzverlaufs minimal. Der erste Körper 110 (der Revolver 110) berührt mit seinen Führungsfedern 824 den oberen Anschlag der Führung, also den oberen Anschlag der Führungsnuten 816 des Gehäuses 130. Der zweite Körper 120 berührt mit seinen Führungsfedern 834 die Profilzähne 826 des ersten Körpers 110, und kann aufgrund der Führungsnuten 816 des Gehäuses 130 nicht näher an den Körper 110 herankommen.
11b zeigt den Teilbereich, wenn die Winkelgeschwindigkeit gegenüber 11a erhöht ist. Durch die Frequenzerhöhung wandern die Revolver (die beiden Körper 110, 120) nach unten (nach radial außen). Der zweite Revolver 120 wird durch die Führung der Hülse, also durch die Führungsnuten 816 des Gehäuses 130 am Rotieren gehindert.
In 11c ist die Drehfrequenz weiter erhöht, der zweite Revolver 120 wandert über die Führung der Hülse (über die Führungsnuten 816 des Gehäuses 130) hinaus und rotiert, aufgrund einer zwischen den Profilzähnen 826 des ersten Körpers 110 und den Führungsfedern 834 des zweiten Körpers 120 entstehenden Horizontalkraft nach links. Dabei laufen der erste Revolver 110 und der zweite Revolver 120 aufeinander zu und ein Dorn des Deckels (der Deckseite 830 des zweiten Revolvers 120) durchsticht die Deckelfolie (ein Verschlussmittel einer Kavität) von dem ersten Revolver 110. Die Führungsfedern 834 des zweiten Körpers 120 sind in Eingriff mit Profilzähnen 826 des ersten Körpers 110. Eine sich in einer Kavität, welche durch einen Dorn des zweiten Körpers 120 aufgestochen wurde, befindliche Flüssigkeit kann nun von dieser Kavität in eine Kavität des zweiten Körpers 120 fließen.
11d zeigt den Teilbereich nach einer weiteren Erhöhung der Drehfrequenz, die beiden Revolver 110, 120 sind vollständig ausgelenkt. Die Feder 710, welche eine Rückstellkraft zur Zentrifugalkraft erzeugt, ist bei der maximale Auslenkung der Revolver 110, 120 maximal zusammengedrückt, da die durch die Rotation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft größer als die durch die Feder 710 erzeugte Rückstellkraft ist.
11e zeigt den Teilbereich bei einer gedrosselten Drehfrequenz gegenüber 11c. Die Federkraft (die Rückstellkraft) der Feder 710 drückt die beiden Revolver 110, 120 wieder nach oben. Der zweite Revolver 120 bewegt sich entlang der schrägen Führung von Hülse 1 (oder entlang von Berandungen der Führungsnuten 816 des ersten Gehäuseteils 132 des Gehäuses 130) weiter nach links. Der erste Revolver 110 und der zweite Revolver 120 bewegen sich auseinander und der Dorn des zweiten Revolvers 120 wird freigegeben.
11f zeigt den Teilbereichen nach einer weiteren Drosselung die Drehfrequenz. Das System befindet sich in Ausgangsposition und ist gegenüber der Position in 11a eine Achtelumdrehung nach links gedreht. Eine Führungsfeder 834a, welche in 11a mit einer Führungsnut 816a des Gehäuses 130 und einem ersten Profilzahn 826a des ersten Körpers in Eingriff war, ist in 11f mit einer zweiten, zu der ersten Führungsnut 816a benachbarten, Führungsnut 816b des Gehäuses 130 und einem zweiten, zu dem ersten Profilzahn 826a benachbarten, Profilzahn 826b des ersten Körper 110 in Eingriff.
12 zeigt beispielhaft, wie eine Ratschenmechanik als Druckmechanik für eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um automatisiert, d. h. abhängig von einem Zentrifugationsprotokoll verschiedene Kavitäten von in radialer Richtung angeordneten Körpern miteinander zu koppeln.
12-A zeigt ein Rückstellelement 1210, welches in einer Förderschiene 1212 läuft. Das Rückstellelement 1210 kann beispielsweise als eine Feder mit einem an einem Ende befindlichen Stift 1219 mit einer Masse ausgebildet sein. Das Rückstellelement ist dabei so ausgebildet, dass es eine entgegengesetzt der Zentrifugalkraft wirkende Rückstellkraft hervorruft. Eine Richtung des Pfeils 1218 zeigt dabei die Richtung an, in welche die Rückstellkraft wirkt und eine Länge des Pfeils gibt dabei einen Betrag, der durch das Rückstellelement 1210 erzeugten Rückstellkraft an. Eine Richtung des Pfeils 1217 gibt dabei eine Richtung der durch die Rotation des Rotors erzeugten Zentrifugalkraft an. Eine Länge des Pfeils 1217 gibt dabei eine Größe der durch die Rotation des Rotors erzeugten Zentrifugalkraft an. In 12-A ist deutlich zu erkennen, dass die Zentrifugalkraft kleiner ist als die Rückstellkraft. Eine Drehrichtung des Rotors der Zentrifuge ist durch einen Pfeil 1214 dargestellt. 12-A zeigt damit einen Zustand mit niedriger Winkelgeschwindigkeit, das elastische Rückstellelement 1210 ist zusammengezogen und zieht einen den an dem Ende befindlichen Stift mit der Masse zum Zentrum (zur Rotationsachse 140 des Rotors). Ein Körper einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, beispielsweise der erste Körper 110 der Vorrichtung 100, welcher mit dem Rückstellelement 1210 verbunden ist, kann dadurch einen Halbschritt weiter rotiert werden.
12-B zeigt einen Zustand bei erhöhter Winkelgeschwindigkeit, durch Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit lenkt die Masse den Stift 1219, der in der radialen Führungsschiene 1212 läuft, nach außen. Dadurch wird der Körper, welcher mit dem Rückstellelement 1210 verbunden ist (also beispielsweise der erste Körper 110), um einen weiteren Halbschritt rotiert. In 12-B ist die durch die Rotation des Rotors erzeugte Zentrifugalkraft größer als die durch das Rückstellelement 1210 erzeugte Rückstellkraft.
12-C zeigt einen Teil einer Vorrichtung 1200 zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1200 weist zwei übereinander gestapelte, voneinander separierbare Körper 1220, 1230 auf. Ferner weist die Vorrichtung 1200 ein Gehäuse 130 auf, welches ausgebildet ist, um in einer Halterung des Rotors der Zentrifuge eingesetzt zu werden.
Die zwei Körper 1220, 1230 sind in dem Gehäuse 130 in einer Stapelrichtung so angeordnet, dass bei einer bestimmungsgemäßen Aufnahme der Vorrichtung 1200 in dem Rotor der Zentrifuge und bei einer Rotation des Rotors ein Abstand eines der zwei Körper 1220, 1230 zu einer Rotationsachse 140 des Rotors geringer ist als ein Abstand eines anderen der zwei Körper 1220, 1230 zu der Rotationsachse des Rotors 140. In dem in 12 gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel ist ein Abstand eines ersten Körpers 1220 zu der Rotationsachse 140 geringer ist als ein Abstand eines zweiten Körpers 1230 zu der Rotationsachse 140 des Rotors. Mit anderen Worten ist der zweite Körper 1230 in dem Gehäuse 130 radial weiter außen als der erste Körper 1220 angeordnet. Der erste Körper 1220 weist eine Kavität 1222a auf. Der zweite Körper 1230 weist eine Mehrzahl von Kavitäten 1232 auf Die zwei Körper 1220, 1230 sind in dem Gehäuse 130 beweglich zueinander angeordnet, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors in einer ersten Phase die Kavität 1222a des ersten Körper 1220 mit einer ersten Kavität 1232a der Kavitäten 1232 des zweiten Körpers 1230 fluidisch zu koppeln, und in einer zweiten Phase die Kavität 1222a des ersten Körpers 1220 mit einer zweiten Kavität 1232b des zweiten Körpers 1230 zu fluidisch koppeln. Die radiale Führungsschiene 1212 kann dabei so ausgebildet sein, dass sie auf die Anzahl der Kavitäten 1232 des zweiten Körpers 1230 angepasst ist. Weiterhin kann die radiale Führungsschiene 1212 so ausgebildet sein, dass bei einer hohen Winkelgeschwindigkeit des Rotors, beispielsweise wenn die Zentrifugalkraft größer als die Rückstellkraft ist, die Kavität 1222a des ersten Körpers 1220 jeweils mit einer Kavität der Kavitäten 1232 des zweiten Körpers 1230 gekoppelt ist. 12-C zeigt damit, wie eine Ratschenmechanik verwendet werden kann, um einen Kanalausgang oder eine Kavität 1222a eines ersten Körpers 1220 mit verschiedenen Kanaleingängen oder Kavitäten 1232 eines zweiten Körpers 1230 der Reihe nach zu verschalten. Ein Flüssigkeitsstrom 1240 kann dabei beispielsweise in Phasen hoher Winkelgeschwindigkeit des Rotors (also auch in Phasen hoher Zentrifugalkraft) von der Kavität 1222a in jeweils eine der Kavitäten 1232a–1232n des zweiten Körpers 1230 geleitet werden. Eine Förderrichtung, also eine Drehrichtung des Rotors der Zentrifuge kann dabei entgegengesetzt einer Drehrichtung des ersten Körpers 1220 bezüglich des zweiten Körpers 1230 sein.
Obwohl sich bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Körper 1220 bezüglich dem zweiten Körper 1230 verdreht, so kann in weiteren Ausführungsbeispielen sich auch der zweite Körper 1230 bezüglich des ersten Körpers 1220 verdrehen.
Wie anhand der 11 und 12 beschrieben, kann, um bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Verschiebung der Körper gegeneinander zu erreichen, eine Aktuationsmechanik eingesetzt werden, welche dadurch gekennzeichnet sein kann, dass die variable Zentrifugalkraft im Wechselspiel mit einer von der Zentrifugation unabhängigen Rückstellkraft (z. B. Federkraft, Magnetkraft, Schwerkraft) steht, wodurch eine Änderung der Zentrifugationsfrequenz die Bewegung eines Aktors bewirkt. Je nach Ausgestaltung der Mechanik kann das eine lineare, rotatorische oder entlang bestimmter Bahnen geführte Bewegung sein. Es wurden verschiedene Mechaniken gezeigt (Kugelschreibermechanik, Ratschenmechanik), die eine derartige Funktion ausübt. Bei Erhöhung der Zentrifugationsfrequenz kann die Bewegung des Aktors in die eine Richtung gehen, und bei Erniedrigung der Zentrifugationsfrequenz kann die Bewegung des Aktors in die andere Richtung gehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Bewegung des Aktors ein Ratschenmechanismus, wie in 12 dargestellt, antreiben, wodurch auch ein Vorschub in nur eine Richtung erreicht werden kann. Der Vorschub kann dabei linear oder rotatorisch sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorschubbewegung auch mit einer Hubbewegung mit einer zusätzlichen Richtungskomponente gekoppelt werden. Diese Hubbewegung kann beispielsweise bistabil ausgeführt werden. Zusammengefasst können diese Komponenten eine Druckmechanik, wie sie beim Kugelschreiber Anwendung findet, bilden. Jedoch wird im Gegensatz zu dem Kugelschreiber die Druckmechanik durch die sich verändernde Zentrifugalkraft betrieben. Durch jeden Zentrifugationsschritt kann die Mechanik einen Schritt weiter bewegt werden, wodurch eine schrittweise gegenseitige Verschiebung der Körper erfolgt. Auf diese Weise können sequenziell verschiedene Kanalausgänge mit verschiedenen Kanaleingängen (bzw. verschiedenen Kavitäten) in Kontakt gebracht werden. Der Einsatz einer Druckmechanik, wie bei dem Kugelschreiberprinzip, wie es in 11 gezeigt ist, kann eine Hubbewegung implizieren, die zur Änderung des Abstands der Körper zueinander oder zu weiteren Komponenten genutzt werden kann. Bedarfsweise kann die Hubbewegung bistabil sein bzw. durch Einsatz einer Kurvenbahn einen besonderen Verlauf erhalten. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann (wie in den 11a–11f gezeigt) die Hubbewegung verwendet werden, um zu einem definierten Prozessschritt den Deckel (oder das Verschlussmittel) einer Kavität mit einem Dorn aufzustechen. Auf diese Weise kann ein Ventil realisiert werden, das dazu verwendet werden kann, den Prozess zu steuern.
Wie bereits oben beschrieben, basiert eine Aktuationsmechanik einerseits auf der Zentrifugalkraft, welche durch eine Rotation des Rotors erzeugt wird, und andererseits auf einer Rückstellkraft. Die Rückstellkraft kann, wie oben bereits erwähnt, durch eine Feder, ein Magnetfeld oder das Schwerefeld verursacht werden. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann ein Rückstellmittel zur Erzeugung der Rückstellkraft als eine Feder ausgebildet sein.
Die in den 11 und 12 beschriebene Aktuationsmechanik, welche zur Verdrehung und/oder zur Erzeugung des Hubs dient, kann entweder integraler Bestandteil der Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sein. Weiterhin kann die Aktuationsmechanik aber auch als externe wieder verwendbare Mechanik vor der Verwendung mit der Vorrichtung in Kontakt gebracht werden.
Ist die Mechanik ein integraler Bestandteil der Vorrichtung, kann sie entweder an jeder einzelnen Einheit, die sich verdrehen soll, oder alternativ nur an einer einzelnen Einheit angebracht sein. Die Bewegung kann im zuletzt genannten Fall an andere Einheiten mittels einer Welle übertragen werden.
Bei der Ausführung als externe wieder verwendbare Mechanik kann die Mechanik extern angebracht sein, z. B. auf das Zentrifugenröhrchen aufgesetzt werden. Die in der Mechanik generierten Dreh- oder/und Hubbewegungen können mit einer Welle oder mit Stößeln auf die zu bewegenden Vorrichtungen übertragen werden.
Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können insbesondere als Einwegartikel ausgebildet sein, beispielsweise mit bereits vorgelagerten Reagenzien, welche nach der Durchführung eines Prozesses, für den sie geeignet sind, und nach Entnahme des Eluats entsorgt werden.
13 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1300 zum fluidischen Koppeln von Kavitäten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1300 umfasst einen ersten Schritt 1310 des Rotieren eines Rotors einer Zentrifuge mit einer ersten Geschwindigkeit. In einer Halterung des Rotors ist ein Gehäuse eingesetzt, in welchem mindestens zwei übereinander gestapelte Körper in einer Stapelrichtung angeordnet sind. Die mindestens zwei übereinander gestapelten Körper sind in der Stapelrichtung so angeordnet, dass bei einer Rotation des Rotors ein Abstand einer der mindestens zwei Körper seine Rotationsachse des Rotors geringer ist als ein Abstand eines anderen der mindestens zwei Körper zu der Rotationsachse des Rotors. Ein erster der mindestens zwei Körper weist zumindest eine erste und eine zweite Kavität auf und ein zweiter der mindestens zwei Körper weist zumindest eine erste Kavität auf. Die mindestens zwei Körper sind in dem Gehäuse beweglich zueinander angeordnet, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors in einer ersten Phase die erste Kavität des ersten Körper mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln, und in einer zweiten Phase die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln. Die erste Geschwindigkeit ist so gewählt, dass die erste Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch gekoppelt ist. So kann in der ersten Phase eine Flüssigkeit oder ein Fluid, welche(s) sich in der ersten Kavität des ersten Körpers befindet, in erste Kavität des zweiten Körpers fließen, falls der erste Körper radial weiter innen als der zweite Körper angeordnet ist oder, falls der erste Körper radial weiter außen als der zweite Körper angeordnet ist, kann eine Flüssigkeit oder ein Fluid, welche(s) sich in der ersten Kavität des zweiten Körpers befindet, in die erste Kavität des ersten Körpers fließen.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 1300 einen Schritt 1310 des Veränderns der Geschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge, so dass die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch gekoppelt ist. Falls der erste Körper radial weiter innen als der zweite Körper angeordnet ist, kann eine, sich in der zweiten Kavität des ersten Körpers befindliche Flüssigkeit, in die erste Kavität des zweiten Körpers fließen, und beispielsweise sich mit einer dort befindlichen Flüssigkeit vermischen. Falls der erste Körper radial weiter außen, als der zweite Körper angeordnet ist, so kann eine, sich in der ersten Kavität des zweiten Körpers befindliche, Flüssigkeit in die zweite Kavität des ersten Körper fließen, und sich beispielsweise dort mit einer bereits vorgelagerten Flüssigkeit vermischen.
Das Verfahren 1300 kann beispielsweise genutzt werden, um verschiedene Flüssigkeiten bzw. Reagenzien, welche in einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgelagert sind, miteinander zu vermischen, beispielsweise um einen (bio-)chemischen Prozess, wie beispielsweise eine DNA-Extraktion durchzuführen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann, um mehrere unterschiedliche Flüssigkeiten miteinander zu vermischen, bzw. mehrere verschiedene Kavitäten fluidisch miteinander zu koppeln, der Schritt 1320 des Veränderns der Geschwindigkeit des Rotors beliebig oft, beispielsweise in Abhängigkeit der benötigten Prozessschritte, durchgeführt werden.
Anhand der 14, 15a, 15b soll im Folgenden die Vorrichtung 700 gemäß 7 mit drei Revolver am Anwendungsbeispiel einer DNA-Extraktion auf Basis des Verfahrens 1300 gemäß 13 beschrieben werden. Die Vorrichtung 700 und weitere Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eignen sich ebenfalls auch zur Automatisierung anderer (bio-)chemischer Prozesse.
14 zeigt ein Diagramm zwischen Zeit- und Winkelgeschwindigkeit eines Rotors einer Zentrifuge bei einem Verfahren zum fluidischen Koppeln mehrerer Kavitäten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ω steht dabei für die Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge. Die mit schwarzen Punkten markierten Zeitpunkte in der Nummerierung 1–6 zeigen Zeitpunkte an, in welchen die Vorrichtung 700 von einer Phase in eine nächste Phase übergeht. Ein schraffiertes Kästchen zeigt an, wann ein Durchbruch der Mischkammer 160a des zweiten Revolvers 120 erfolgt.
15a und 15b zeigen Zustände der einzelnen Revolver 110, 120, 510 zueinander, wie sie bei der Durchführung des Verfahrens 1300 unter Nutzung des Zeit-Winkelgeschwindigkeits-Diagrams gemäß 14 auftreten. Die 15a, 15b zeigen damit eine Prozessgraphik eines Prozessablaufs in der Vorrichtung 700 am Beispiel der DNA-Extraktion. Der aktuelle Flüssigkeitsstrom jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Revolver sind abgerollt dargestellt. In dem ersten Revolver 110 befinden sich in den Kavitäten alle vorzulagernden Reagenzien. In dem zweiten Revolver 120 befindet sich die Mischkammer 160a und eine Sollbruchstelle 1510, beispielsweise wie sie in 4-b beschrieben wurde. Der dritte Revolver 510 ist ein Auffangrevolver für die Abfallflüssigkeit (Waste) in dem Abfallsammelbehälter (in der Wastekammer) 720b und das Eluat in dem Eluatsammelbehälter (in der Eluatkammer) 720a.
In dem in 15a gezeigten Gebinde (der Vorrichtung 700) sind in dem ersten Revolver 110 der Bindepuffer (B), der Lysepuffer (L), die beiden Waschpuffer (W1, W2) und der Elutionspuffer (E) vorgelagert. In dem zweiten Revolver 120 ist eine chromatographische Säule 838, sowie eine Mischvorrichtung 730 (in 15a nicht dargestellt) integriert.
Bevor die DNA-Extraktion gestartet werden kann, sind folgende manuellen Schritte durchzuführen. Eine Probe wird in eine Kammer (Kavität (P)) des ersten Revolvers 110 pipettiert, wozu deren Deckel durchstochen wird. Die Probe rehydriert die lyiophilisiert vorgelagerte Proteinase. Daraufhin wird das Zentrifugenröhrchen (die Vorrichtung 700) in die Zentrifuge transferiert, der Deckel der Zentrifuge geschlossen und ein gespeichertes Programm oder ein manuell eingegebenes Programm mit Frequenzprofilen gestartet.
Die folgenden Schritte werden automatisiert von der Zentrifuge durchgeführt, ohne dass ein Anwender in den Prozess eingreifen muss.
In einem ersten Schritt des Verfahrens (beispielsweise der Schritt 1310 des Verfahrens 1300) beschleunigt die Zentrifuge den Rotor auf eine vorgegebene Winkelgeschwindigkeit ω_max. Die integrierte Feder 710 von den Revolvern 110, 120, 510 zusammengedrückt und die Revolver 110, 120, 510 bewegen sich radial nach außen. Ab einer weiteren Winkelgeschwindigkeit ω_krit2 verlässt der zweite Revolver 120 die Führung der Hülse 130 (die Führungsnuten 816 des Gehäuses 830) und kann sich entlang seiner Rotationsachse 250 verdrehen. Dies geschieht aufgrund der Führungsstruktur im ersten Revolver 110 (aufgrund der Profilzähne 826 des ersten Revolvers 110) und der Abstand zwischen dem ersten Revolver 110 und dem zweiten Revolver 120 wird verkleinert und einer der Dorne (in dem konkreten Ausführungsbeispiel der erste Dorn 828a) sticht eine obere Kavität (L) des ersten Revolvers 110, in der sich der Lysepuffer befindet auf. Der Lysepuffer fließt in den zweiten Revolver 120. Nach einer vorgegebenen Zeit wird der Rotor in der Zentrifuge abgebremst. Sobald eine Winkelgeschwindigkeit ω_kritO unterschritten wird, drückt die Feder 710 die Revolver 110, 120, 510 radial nach innen. An den schrägen Profilen, die an dem zweiten Revolver 120 und der Hülse 130 angebracht sind (also an den Führungsnuten 834 des zweiten Revolvers 120 und den Begrenzungen der Führungsnuten 816 des Gehäuses 130), entsteht eine Kraftkomponente, die den zweiten Revolver 120 gegenüber den restlichen Komponenten weiter verdreht. Eine Verdrehung des ersten Körpers 110 ist aufgrund des Eingriffs der Führungsfedern 824 des ersten Körpers 110 mit den Führungsnuten 816 des Gehäuses 130 unterbunden. Eine Drehung des dritten Körpers 510 ist aufgrund der Außenstege 854 des dritten Körpers 510 unterbunden. Mit anderen Worten wird in dem ersten Schritt ein unterer Deckel bzw. ein unteres Verschlussmittel einer Kavität (L) von dem ersten Revolver 110 durchstochen und der Lysepuffer in die Mischkammer 160a des zweiten Revolvers 120 eingeschleudert.
In einem weiteren Schritt (2. in 15a), beispielsweise dem Schritt 1320 des Verfahrens 1300 wird die Kavität der Probe mit dem ersten Dorn 828a angestochen, die Probe gelangt ebenfalls in die Mischkammer 160a des zweiten Revolvers 120. Lysepuffer und Probe sammeln sich in der Mischkammer 160a, in der auch Sedimentierkavitäten angebracht sein können. Durch Veränderung der Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge wird ein Mischvorgang im zweiten Revolver (in der Mischkammer 160a) hervorgerufen. Die Probe und Lyse vermischen sich in der Kavität 160a (bzw. der Mischkammer 160a) in dem zweiten Revolver 120. Bakterien und andere Festkörper mit größerer Dichte als das Flüssigkeitsgemisch können absedimentiert werden. Mit anderen Worten, wird die Probe in die Mischkammer 160a eingeschleudert und gemischt, dabei werden Zellen lysiert und ggf. anschließend unlösliche Zellbestandteile sedimentiert.
In einem weiteren Schritt (3. in 15a) wird nach einer bestimmten Mischzeit eine Kavität (B) des Bindepuffers durch den zweiten Dorn 828b angestochen und gelangt in die Mischkammer 160a. Es wird abermals gemischt.
In einem weiteren Schritt (3b. in 15b) wird ein Ventil in der Mischkammer 160a geschaltet. Das Gemisch wird durch die Zentrifugalkraft über die Säule 838 in die Wastekammer (den Abfallsammelbehälter) 720b des dritten Revolvers 510 befördert. Beispielhaft sollen vier unterschiedliche Möglichkeiten der Ventilschaltung im Folgenden genannt werden. Eine erste Möglichkeit ist die kapillare Befüllung eines Siphons, wenn die Drehfrequenz der Zentrifuge unter einen kritischen Wert ω_krit3a abgebremst wird. Eine zweite Möglichkeit ist ein Überlaufsiphon, welcher durch einen weiteren Stechschritt, in dem ein zusätzlicher Bindepuffer in das System geführt wird, geschaltet wird. Eine dritte Möglichkeit ist, dass ein weiterer Dorn, beispielsweise im zweiten Revolver 120, in eine vorgesehene Stelle in der Mischkammer 160a einsticht. Ein vierte Möglichkeit, welche in den 15a, 15b gezeigt ist, ist, dass eine Sollbruchstelle 1510 bei Beschleunigung auf über eine kritische Drehfrequenz ω_krit3b schaltet. Das Resultat ist bei allen vier Möglichkeiten dasselbe, die DNA bindet dabei an die chromatographische Säule 838 und damit befindet sich die DNA aus der Probe gebunden an der chromatographischen Säule 838. Mit anderen Worten wird bei dem in den 15a, 15b gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel die Zentrifugationsfrequenz erhöht. Das Gemisch aus Probe, Lysepuffer und Bindepuffer wird über die DNA-bindende (chromatographische) Säule 838 geführt. Die passierende Flüssigkeit wird der Wastekammer 720b des dritten Revolvers 510 aufgefangen.
In einem vierten und einem fünften Schritt (4.–5. in 15b) werden Kavitäten (W1, W2) von Waschpuffer angestochen. Die Waschpuffer gelangen über die Säule 838 in die Wastekammer 720b des dritten Revolvers 510. Der zweite Revolver 120 (die Mischkammer 160a des zweiten Revolvers 120) ist gewaschen. Je nach Qualität des Waschens befindet sich von den Ausgangssubstanzen lediglich die DNA der Probe in dem zweiten Revolver 120 gebunden an der Säule 838. Die Kavitäten (W1, W2) der Waschpuffer werden in dem hier gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel von dem zweiten Dorn 828b des zweiten Revolvers 120 aufgestochen. Mit anderen Worten werden sukzessive die beiden Waschpuffer über die Säule 838 geleitet. Die Waschpuffer werden in der Wastekammer (in dem Abfallsammelbehälter) des dritten Revolvers 510 gesammelt.
Im letzten Zentrifugierschritt (15b-6.) wird Elutionspuffer (E) über die Säule 838 zentrifugiert. Die Säule 838 des zweiten Revolvers 120 befindet sich dabei über der Eluatkammer 720a des dritten Revolvers 510. Der Elutionspuffer (E) löst die gebundene DNA und das Eluat wird in einer Kavität (in der Eluatkammer 720a) im dritten Revolver 510 aufgefangen. In dem hier gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel wird eine Kavität (E) des Elutionspuffers über den dritten Dorn 828c aufgestochen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Elutionspuffer über eine spezielle Fluidführung 1520 (beispielsweise die dritte Fluidführung 829c gemäß 8c) innerhalb der Mischkammer 160a des zweiten Körpers 120 geführt werden. Diese Fluidführung 1520 kaum beispielsweise dazu dienen, um eine Fließgeschwindigkeit des Elutionspuffers zu beeinflussen.
Die aufkonzentrierte DNA im Elutionspuffer befindet sich nun in der Eluatkammer 720a. Alle weiteren Substanzen befinden sich in der Wastekammer 720b. Der Rotor der Zentrifuge kommt nun zum Stehen und das gestartete Programm ist beendet.
Das Zentrifugenröhrchen (die Vorrichtung 700) kann nun aus dem Rotor der Zentrifuge entnommen werden und die aufkonzentrierte DNA kann aus dem Zentrifugenröhrchen (der Vorrichtung 700), beispielsweise durch Herausnehmen des dritten Revolvers 510, herausgenommen werden und zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die in 15a und 15b gezeigten Revolver 110, 120, 510 auch Mikrotiterplatten 110, 120, 510 mit Kavitäten sein, welche, basierend auf der Winkelgeschwindigkeit des Rotors, t translatorisch zueinander verschoben werden.
Das hier aufgezeigte Verfahren in Verbindung mit der Vorrichtung 700 bietet insbesondere im Vergleich zu manuellen Verfahren den Vorteil, dass die einzelnen Schritte zur Vermischung der Probe mit den einzelnen verschiedenen Reagenzien nicht manuell durchgeführt werden müssen, sondern automatisiert innerhalb der Zentrifuge, abhängig vom Zentrifugationsprotokoll, durchgeführt werden. In einem manuellen Verfahren müsste die Zentrifuge nach jedem der einzelnen aufgezeigten Schritte angehalten werden, um dann die für den Schritt notwendigen Reagenzien, wie beispielsweise Bindepuffer, Waschpuffer oder Eluat der Probe hinzuzupipettieren. Insbesondere in großen Stückzahlen hat das hier aufgezeigte Verfahren einen immensen Zeitvorteil und damit Kostenvorteil gegenüber manuellen Verfahren. Weiterhin kann für das hier aufgezeigte Verfahren eine Standardzentrifuge (beispielsweise eine Ausschwenk- oder Festwinkelzentrifuge) verwendet werden, welche standardmäßig in Labors verfügbar ist. Spezialgeräte, wie sie im Stand der Technik aufgezeigt wurden, sind für das hier aufgezeigte Verfahren in Verbindung mit den hier aufgezeigten Vorrichtungen nicht vonnöten.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auch in einem Mikrotiterplattenformat ausgebildet sein, beispielsweise zur Durchführung eines Immunoassays. Eine Durchführung eines Immunoassays auf gestapelten Körpern oder Mikrotiterplatten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass sich die aufeinandergestapelten Körper mittels einer Kugelschreibermechanik in zwei Richtungen in der Laborzentrifuge gegeneinander verschieben, so dass ein Kanalausgang mehrere Kanaleingänge adressieren kann.
Beispielsweise kann ein Immunoassayprotokoll (Sandwich Immunoassay) in eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung implementiert werden. Das Immunoassayprotokoll kann dabei die folgenden Schritte umfassen. Ein erster Schritt ist das Probe auf die Mikrotiterplatte auf aufgeben. Im Folgenden können drei bis fünf Waschschritte durchgeführt werden und danach ein zweiter Antikörper (Detektionsantikörper) hinzugefügt werden. Nach weiteren drei bis fünf Waschschritten kann ein Substrat hinzugefügt werden. In einem letzten Schritt kann eine Detektion (beispielsweise mit einer dem Fachmann bekannten Technik wie Chemielumineszenz, Fluoreszenz, Färbereaktion, GMR, Goldpartikel usw.) zum Beispiel in einem externen Mikrotiterplattenlesegerät durchgeführt werden.
Zur Detektion verschiedener Parameter gleichzeitig kann die Säule 838 wie in 16 gezeigt, ausgebildet sein. 16 zeigt daher eine Säule 838 zur Detektion verschiedener Parameter gleichzeitig. In der Säule 838 sind verschiedene Fängerantikörper (Ak1–Ak4) vertikal in Substraten immobilisiert. Eine Probe kann daher auf mehrere Antigene gleichzeitig (mit Hilfe des Detektors) getestet werden.
Weiterhin kann eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei der Synthese radioaktiver Verbindungen angewandt werden. In (K. Hamacher, H. H. Coenen, G. Stöcklin; „Efficient Stereospecific Synthesis of No-Carrier-Added 2-[18F]-Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose Using Aminopolyether Supported Nucleophilic Substitution”, Journal of Nuclear Medicine; Feb. 1986) ist beispielhaft eine derartige Synthese gezeigt. Eine Produktion von Radioisotopen außerhalb der Vorrichtung kann mit Hilfe eines Positronenemitters durch Beschuss eines sogenannten Targets (Ziels) als Gas oder Flüssigkeit in einem Zyklotron erfolgen. Durchzuführende Schritte innerhalb der Vorrichtung können (zum Teil auch als Festphasenreaktionen) die Folgenden sein.
Ein erster Schritt könnte ein Phasentransfer zur Überführung von Radioisotopen (z. B. 18F) von der Targetflüssigkeit (z. B. H218O) in ein organisches Lösungsmittel sein. Anschließend kann eine Radiomarkierung des Ausgangsstoffes erfolgen. Danach eine Schutzgruppenentfernung des markierten Ausgangsstoffes und abschließend eine Reinigung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen damit Vorrichtungen und Verfahren zur automatisierten Handhabung von Flüssigkeiten unter Verwendung einer Standardlaborzentrifuge. Automatisiert werden können unter anderem chemische oder (bio-)chemische präparative oder analytische Prozesse.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung knüpfen an die Idee der Automatisierung einzelner Prozessschritte der vereinfachten Handhabe von Prozessflüssigkeiten sowie der Entwicklung kostengünstiger und sehr kompakter Systeme an, die im Zusammenhang mit der Entwicklung von Lab-on-a-Chip Systemen stehen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können je nach Bedarf zur Prozessierung verschiedener Flüssigkeitsvolumina herangezogen werden.
Im Stand der Technik beschriebene Lab-on-a-Chip Systeme haben oft den Nachteil, dass mit diesen Systemen automatisierbare Prozesse nur wenige Schritte umfassen können und die Sensitivität dieser Verfahren begrenzt ist. Nicht bekannt waren bislang Lab-on-a-Chip Systeme bestehend aus einem Festträger sowie einem Standardlaborgerät, beispielsweise einer Laborzentrifuge, das zur Aktuierung des Festträgers eingesetzt wird. Derartige Standardlaborgeräte (Laborzentrifugen) gehören zur Grundausstattung nahezu aller Labors. Könnte eine Lab-on-a-Chip Kartusche mit Hilfe eines derartigen Standardlaborgeräts prozessiert werden, müsste der Anwender keine Spezialinstrumente erwerben, um mit Hilfe der Kartusche Prozesse zu automatisieren. Die Markteintrittsbarriere zur Anwendung einer derartigen Kartusche wäre demzufolge niedriger, als für die Anwendung eines gewöhnlichen Lab-on-a-Chip Systems oder eines Pipettierroboters. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen dieses aufgezeigte Problem dadurch, dass sie eine automatisierte Prozessierung von Flüssigkeiten mit Hilfe einer Standardlaborzentrifuge ermöglichen.
Bei vielen (bio-)chemischen Prozessen (Synthese, Analyse und Aufreinigung) ist das bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendete Aktuationsprinzip des Zentrifugierens ohnehin ein wesentlicher Bestandteil der Prozessierung. Die Zentrifugalkraft wird dabei entweder zum Transport von Flüssigkeiten von einer radial weiter innen liegenden Prozessstufe zu einer radial weiter außen liegenden Prozessstufe eingesetzt, oder zum Zwecke der Stofftrennung durch Dichteunterschiede eingesetzt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erfordern daher keinen (oder nur insignifikant erhöhten) zusätzlichen Aufwand bei der Durchführung (bio-)chemischer Prozesse.
Ausführungsbeispiele sind insbesondere gegenüber speziell entwickelten Zentrifugensystemen, wie beispielsweise in den Schriften US 5045047 und US 5087369 beschrieben signifikant preiswerter und einfacher in der Handhabung. Keine der genannten Schriften beschreibt lediglich einen Einsatz, der in eine Standardzentrifuge integriert wird, um einen gewünschten Prozess, wie beispielsweise eine DNA-Extraktion vollautomatisiert durchzuführen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen wird, um eine Verschiebung der Körper der Vorrichtung zu erreichen eine Aktuationsmechanik eingesetzt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die variable Zentrifugalkraft in Wechselspiel mit einer von der Zentrifugation unabhängigen Rückstellkraft (z. B. Federkraft, Magnetkraft, Schwerkraft) steht, wodurch eine Änderung der Zentrifugationsfrequenz die Bewegung eines Aktors bewirkt. Je nach Ausgestaltung der Mechanik kann das eine lineare, rotatorische oder entlang bestimmter Bahnen geführte Bewegung sein. Es wurden verschiedene Mechaniken genannt (Ratschenmechanik, Kugelschreibermechanik), die eine derartige Funktion ausüben. Bei Erhöhung der Zentrifugationsfrequenz kann die Bewegung des Aktors in die eine Richtung, bei Erniedrigung der Frequenz in die andere Richtung gehen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Bewegung des Aktors einen Ratschenmechanismus antreiben, wodurch auch ein Vorschub in nur eine Richtung erreicht werden kann. Der Vorschub kann linear oder rotatorisch sein. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorschubbewegung aber auch mit einer Hubbewegung mit einer zusätzlichen Richtungskomponente gekoppelt werden. Diese Hubbewegung kann, wie bei der Kugelschreibermechanik gezeigt, bistabil ausgeführt werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Ausgestaltung der Körper teilweise von der gewählten Ausgestaltung des Gebindes (der Vorrichtung) abhängen. Im Falle einer rotatorischen Ausführung der Vorrichtung können in das Zentrifugenröhrchen (in die Vorrichtung) Körper eingesetzt werden, die als zylindrische Revolver ausgestaltet sind. Ein Revolver kann dabei einen Grundkörper, eine Drehachse und konzentrisch angeordnete Kanäle (Kavitäten) aufweisen. Die Kanäle können ein- oder zweiseitig mit einem Ventil oder Deckel (oder ein Verschlussmittel) versehen sein und auf diese Weise eine Kavität ausbilden.
Im Falle der translatorischen Ausführung von Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Körper als Mikrotiterplatten ausgestaltet sein, d. h. Platten mit einem Feld von Kanälen, wobei sie wie bei der rotatorischen Ausführung mit Ventilen oder Deckeln abgeschlossen sein können, um auf diese Weise Kavitäten auszubilden. Wie im Vorherigen beschrieben, können in allen Ausführungsvarianten die Kavitäten mit Prozessmitteln bestückt sein oder mikrofluidisch funktionelle Einbauten oder Strukturen enthalten (was in 4 gezeigt wurde).
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann, um die Aktuationsmechanik zu betreiben einerseits die Zentrifugalkraft und andererseits eine Rückstellkraft, genutzt werden. Die Rückstellkraft kann wie oben erwähnt durch eine Feder, ein Magnetfeld, oder das Schwerefeld verursacht werden. Besonders einfach zu realisieren ist dabei eine Feder, beispielsweise als Bestandteil eines Körpers, wie sie einfach in einem Spritzgussverfahren gefertigt werden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann im Rahmen des Qualitätsmanagement eine Prozesskontrolle erforderlich sein. Diese Prozesskontrolle kann beispielsweise mit Hilfe eines in Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung integrierten oder mit der Vorrichtung gekoppelten mechanischen Zählwerks oder anderen Zählsystemen in Form einer Phasenanzeige, vorgenommen werden. Mittels eines solchen Zählwerks kann überprüft werden, ob die zur erfolgreichen Prozessierung notwendige Anzahl an Verdrehungen der gestapelten Einheiten stattgefunden hat. Ein einfaches Zählwerk kann durch das Anbringen von Marken und einer Skala an sich gegeneinander verschiebenden Bauteilen der Vorrichtung erfolgen. Alternativ zu Zahlen können auch Beschriftungen angebracht werden, die den aktuellen Prozessschritt kennzeichnen. In 8c ist dies anhand der an der Außenseite des zweiten Körpers 120 angeordneten Buchstaben 842 erkennbar.
Mögliche Herstellungsverfahren von Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann bekannt. Zur Massenherstellung der Vorrichtung kann eine bevorzugte Herstellungsart der Spritzguss sein, für ein Prototyping (Prototypenentwurf) kann Drehen, Fräsen sowie Stereolithographie zu bevorzugen sein.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann eine Vorrichtung teilweise oder vollständig aus einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Insbesondere können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Einwegartikel, gefertigt werden.
Die Kavitäten in den Einheiten (Körpern) der Vorrichtungen können teilweise, beispielsweise für die Vorlagerung von Flüssigkeiten mit einem Deckel (Verschlussmittel) verschlossen werden. Auch hierfür stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. So können Verschlussmittel beispielsweise durch eine Klebeverbindung oder das Aufkleben einer selbstklebenden Folie durch Lösungsmittelbonden, sowie das thermische Bonden. Bevorzugt ist der Einsatz von Deckelungsfolien mit guten Barriereeigenschaften, die sich leicht durch einen Dorn öffnen lassen und beispielsweise eine mit Kunststoff beschichtete Aluminiumfolie aufweisen.
Ein Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist damit die Automatisierung (bio-)chemischer Prozesse in einer Laborzentrifuge, die weltweit zur Grundausstattung der meisten Labors gehört. Es ist kein zusätzliches, teures Laborgerät notwendig, um mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung Prozesse zu automatisieren. Dies erleichtert den Markteintritt und die Marktdurchdringung für Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt in der Anwendungsvielfalt. Es können (bio-)chemische Prozesse verschiedenster Art automatisiert werden. Des Weiteren wird das Risiko der Kontamination während des Prozesses stark gesenkt, da es ein geschlossenes System ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass kein Fachpersonal für die Durchführung des Prozesses erforderlich ist.
Zudem sind die Produktionskosten für Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht deutlich höher, (oder nur insignifikant höher) als für Einwegartikel, die zur manuellen oder automatischen Prozessierung (bio-)chemischer Prozesse erforderlich sein können. Damit einhergeht der Vorteil, dass Laborautomation durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schon bei kleinen Probezahlen einer manuellen Prozessdurchführung überlegen ist und auch bei großen Probenzahlen nicht teurer ist, als eine automatisierte Lösung, beispielsweise auf Basis von Pipettierrobotern oder Spezialzentrifugen.
Eine Vielzahl dem Fachmann bekannter Laborprotokolle können in Ausführungsbeisielen der vorliegenden Erfindung implementiert werden. So können beispielsweise implementiert werden: DNA-Extraktion, Immunoassay, Nukleinsäureanalytik (eventuell mit Rekombinase Polymerase Amplifikation (RPA)), Proteinaufreinigung, HPLC/Reinigung, Laborprotokolle, Lebensmittelüberwachung oder auch Synthese radioaktiver Verbindungen (Radiopharmaka) für die Nuklearmedizin.
Im Folgenden soll nochmal zusammenfassend einige Eigenschaften von einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann das sequenzielle fluidische Inkontaktbringen der in den Körpern der Vorrichtung enthaltenen Kavitäten erfolgen, indem die Körper mit einer tangentialen Richtung gegeneinander verschoben werden, ohne die Vorrichtung dabei aus der Zentrifuge entnehmen zu müssen. In einem ersten Zentrifugationsschritt kann dabei ein Stoff von einem ersten radial weiter innen liegenden Quellkanal eines ersten Körpers in einen weiter radial außen liegenden Zielkanal eines zweiten Körpers befördert werden. Nach einer relativen Verschiebung der zwei Körper kann in einem zweiten Zentrifugationsschritt aus einem zweiten radial weiter innen gelegenen Quellkanal des ersten Körpers ein Stoff in den gleichen radial weiter außen liegenden Zielkanal befördert werden. Durch Ausführung weiterer Zentrifugationsschritte kann auf diese Weise eine Abfolge von Prozessschritten realisiert werden, in der verschiedene, an einem Prozess beteiligte Stoffe oder Prozesshilfsmittel sequenziell miteinander in Kontakt gebracht werden können.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das gegenseitige Verschieben der Körper durch das Zentrifugationsprotokoll initiiert werden und die zur Verschiebung erforderliche Energie aus der Zentrifugationsenergie bezogen werden. Ein Zeitpunkt und/oder Ausmaß der Verschiebung kann durch eine sich zeitlich verändernde Zentrifugationsfrequenz bestimmt wird. Die gegenseitige Verschiebung der Körper kann linear oder rotatorisch ausgeführt werden. Die gegenseitige Verschiebung der Körper kann insbesondere durch eine Aktuationsmechanik hervorgerufen werden, welche durch ein Wechselspiel der variablen Zentrifugalkraft mit einer von der Zentrifugation unabhängigen Rückstellkraft (z. B. Federkraft, Magnetkraft, Schwerkraft) eine Lageveränderung der beiden Körper zueinander hervorruft. Eine Änderung der Zentrifugationsfrequenz kann dabei die Bewegung eines Aktors bewirken, wobei die Bewegung je nach Ausgestaltung der Mechanik linear, rotatorisch oder entlang einer festgelegten Bahn verläuft. Bei Erhöhung der Zentrifugationsfrequenz kann sich der Aktor beispielsweise in eine Richtungen bewegen sowie bei Erniedrigung der Zentrifugationsfrequenz kann sich der Aktor in die andere Richtung bewegen. Die Aktuationsmechanik kann dazu beispielsweise genutzt werden, um einen Ratschenmechanismus anzutreiben, der eine Vorschubbewegung des Aktors in nur eine Richtung ermöglicht, wobei diese Vorschubbewegung ebenfalls linear, rotatorisch oder entlang einer bestimmen Bahn verlaufen kann.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorschubbewegung des Aktors auch mit einer zusätzlichen Bewegung in einer anderen Richtung, beispielsweise einer Hubbewegung gekoppelt werden. Diese Hubbewegung kann insbesondere bistabil ausgeführt werden, wodurch eine Bewegung erreicht werden kann, wie sie bei der Druckmechanik eines Kugelschreibers Anwendung findet. Diese Druckmechanik kann auf diese Weise durch eine sich ändernde Zentrifugalkraft betrieben werden, wodurch bei jedem Schritt die Mechanik einen Schritt weiter bewegt werden kann, wodurch eine schrittweise gegenseitige Verschiebung benachbarter Körper erzielt werden kann. Dadurch ist es möglich, sequenziell verschiedene Kanalausgänge mit verschiedenen Kanaleingängen (bzw. verschiedene Kavitäten) in Kontakt zu bringen. Gleichzeitig kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Einsatz der Druckmechanik das Ausführen einer bedarfsweisen bistabilen Hubbewegung ermöglichen, die zur Änderung des Abstands der Körper zueinander führt. Insbesondere kann die Änderung des Abstandes dazu verwendet werden, um zu einem definierten Zeitpunkt bzw. Prozessschritt den Deckel (das Verschlussmittel) einer Kavität mit einem Dorn aufzustechen. Auf diese Weise lässt sich ein Ventil realisieren, das dazu verwendet werden kann, um den zu automatisierenden Prozess zu steuern.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können, wie oben beschrieben, die Kavitäten der einzelnen Körper Deckel aufweisen, welche während des Zentrifugationsprotokolls automatisch geöffnet werden können. Das Öffnen kann durch einen Dorn oder durch beispielsweise zentrifugalen Druck erfolgen. Die in den Kavitäten enthaltenen flüssigen oder festen Stoffe können dann mit Hilfe der Zentrifugalkraft von einer radial weiter innen gelegenen Kavität in eine radial weiter außen gelegene Kavität transportiert werden.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können die übereinandergestapelten Körper separierbar voneinander sein.

Claims

Vorrichtung zum Einsetzen in einen Rotor einer Zentrifuge mit: mindestens zwei übereinandergestapelten Körpern (110, 120, 510; 1220, 1230); und einem Gehäuse (130, 132, 134), welches ausgebildet ist, um in eine Halterung des Rotors der Zentrifuge eingesetzt zu werden; wobei die mindestens zwei Körper (110, 120, 510; 1220, 1230) in dem Gehäuse (130, 132, 135) in einer Stapelrichtung so angeordnet sind, dass bei einer bestimmungsgemäßen Aufnahme der Vorrichtung (100, 200, 700, 1200) in dem Rotor der Zentrifuge, und bei einer Rotation des Rotors, ein Abstand (l₁) eines Körpers (110, 1220) der mindestens zwei Körper (110, 120) zu einer Rotationsachse (140) des Rotors geringer ist, als ein Abstand (l₂) eines anderen Körpers (120, 1230) der mindestens zwei Körper (110, 120) zu der Rotationsachse (140) des Rotors; wobei ein erster Körper (110; 1230) der mindestens zwei Körper (110, 120) zumindest eine erste Kavität (150a; 1232a) und eine zweite Kavität (150b; 1232b) aufweist; wobei ein zweiter Körper (120; 1220) der mindestens zwei Körper (110, 120) zumindest eine erste Kavität (160a; 1222a) aufweist; wobei die mindestens zwei Körper (110, 120; 1220, 1230) in dem Gehäuse (130, 132, 134) beweglich zueinander angeordnet sind, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors, in einer ersten Phase, die erste Kavität (150a; 1223a) des ersten Körpers (110; 1230) mit der ersten Kavität (160; 1222a) des zweiten Körpers (120; 1220) fluidisch zu koppeln und, in einer zweiten Phase, die zweite Kavität (150b; 1232b) des ersten Körpers (110; 1230) mit der ersten Kavität (160a; 1222a) des zweiten Körpers (120; 1220) fluidisch zu koppeln; die ferner ein Rückstellmittel (710, 1210) aufweist; wobei das Rückstellmittel auf mindestens einen der mindestens zwei Körper (110, 120, 510; 1220, 1230) eine Rückstellkraft ausübt, um, abhängig von einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors die mindestens zwei Körper (110, 120, 510; 1220, 1230) in einer gegebenen Position bezüglich des Gehäuses (130, 132, 134) zu halten; und wobei das Rückstellmittel (710, 1210) so ausgebildet ist, dass ein erster Betrag einer in entgegensetzte Richtung zu der Rückstellkraft wirkenden, auf einer Zentrifugalkraft basierenden Kraft, bei einer ersten Winkelgeschwindigkeit in der ersten Phase, größer als ein Betrag der Rückstellkraft ist, und so dass ein zweiter Betrag der in entgegensetzte Richtung zu der Rückstellkraft wirkenden Kraft, bei einer zweiten Winkelgeschwindigkeit bei einem Übergang von der ersten in die zweite Phase, kleiner als der Betrag der Rückstellkraft ist, so dass sich bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase mindestens einer der mindestens zwei Körper (110, 120, 510; 1220, 1230) innerhalb des Gehäuses (130, 132, 134) bewegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner ausgebildet ist, so dass sich bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase eine Position der mindestens zwei Körper zueinander verändert, so dass eine Position des ersten Körpers (110; 1230) bezüglich des zweiten Körpers (120; 1220) in der ersten Phase unterschiedlich zu einer Position des ersten Körpers (110; 1230) bezüglich des zweiten Körpers (120; 1220) in der zweiten Phase ist, und wobei die Vorrichtung ferner ausgebildet ist, so dass der Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ansprechend auf eine Veränderung einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors bezüglich einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors in der ersten Phase erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, die ferner ausgebildet ist, so dass ein Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase ohne einen Wechsel der Drehrichtung des Rotors der Zentrifuge erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner ausgebildet ist, so dass ein Betrag einer ersten Winkelgeschwindigkeit des Rotors in der ersten Phase und ein Betrag einer zweiten Winkelgeschwindigkeit des Rotors in der zweiten Phase höher sind, als ein Betrag einer dritten Winkelgeschwindigkeit bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der mindestens eine der Kavitäten (150a, 150b) des ersten Körpers (110) an einer der ersten Kavität (160a) des zweiten Körpers (120) zugewandeten Seite ein Verschlussmittel (210a, 210b) aufweist, wobei die Vorrichtung (100, 200, 700, 1200) ferner ausgebildet ist, um das Verschlussmittel (210a, 210b) in einer Phase, in der die Kavität (150a, 150b) des ersten Körpers (110), welche das Verschlussmittel (210a, 210b) aufweist, mit der ersten Kavität (160a) des zweiten Körpers (120) fluidisch gekoppelt ist, zu öffnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei dem das Verschlussmittel (210a, 210b) eine Membran ist, und bei dem der zweite Körper (120) an einer dem ersten Körper (110) zugewandten Seite mindestens einen Dorn (828a, 828b, 828c) aufweist, welcher ausgebildet ist, um die Membran aufzustechen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei dem das Verschlussmittel (210a, 210b) eine druckempfindliche Membran ist, wobei die druckempfindliche Membran ausgebildet ist, um ansprechend auf einen, durch eine gegebene Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge erzeugten Druck einer in der, das Verschlussmittel aufweisenden, Kavität (150a, 150b) befindlichen Reagenz aufzureißen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die mindestens zwei Körper (110, 120) als Mikrotiterplatten ausgebildet sind, wobei die Vorrichtung ferner ausgebildet ist, so dass sich bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase die mindestens zwei Körper (110, 120) zueinander verschieben.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die mindestens zwei Körper (110, 120) zylinderförmige Körper (110, 120, 510) mit jeweils einer Deckseite und einer in Stapelrichtung gegenüberliegenden Grundseite sind; wobei eine Grundseite (822) des ersten Körpers (110) gegenüberliegend einer Deckseite (830) des zweiten Körpers (120) angeordnet ist; wobei die erste Kavität (150a) des ersten Körpers (110) und die zweite Kavität (150b) des ersten Körpers (110) an die Grundseite (822) des ersten Körpers (110) angrenzen; wobei die erste Kavität (160a) des zweiten Körpers (120) an die Deckseite (830) des zweiten Körpers (120) angrenzt; und wobei die Vorrichtung ferner so ausgebildet ist, dass sich bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase der zweite Körper (120) bezüglich des ersten Körpers (110) um eine in Stapelrichtung verlaufende Rotationsachse (250) der mindestens zwei Körper (110, 120) verdreht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der das Gehäuse (130, 132, 134) an einer Innenseite eine Mehrzahl von Führungsnuten (816, 816a, 816b) aufweist, welche sich in einer axialen Richtung entlang der Rotationsachse (250) der Körper (110, 120, 510) zumindest in einem Bereich des Gehäuses (130, 132) erstrecken, und bei der der erste Körper (110) an einer Außenseite eine Mehrzahl von Führungsfedern (824) aufweist, welche ausgebildet sind, um mit der Mehrzahl von Führungsnuten (816, 816a, 816b) des Gehäuses (130, 132) Eingriff zu nehmen, um bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase eine Verdrehung des ersten Körpers (110) um die Rotationsachse (250) der Körper (110, 120, 510) zu verhindern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der ferner der erste Körper (110) an der Grundseite (822) eine Mehrzahl von Profilzähnen (826, 826a, 826b) aufweist, welche umlaufend um den ersten Körper (110) angeordnet sind, und bei der ferner der zweite Körper (120) an einer Außenseite eine Mehrzahl von Führungsfedern (834, 834a) aufweist; wobei die Mehrzahl von Führungsfedern (834, 834a) des zweiten Körpers (120) die Deckseite (830) des zweiten Körpers (120) überragen, und in einem Endbereich, in welchem sie die Deckseite (830) überragen jeweils abgeschrägte Enden aufweisen; wobei die Mehrzahl von Führungsfedern (834, 834a) des zweiten Körpers (120) ausgebildet sind, um bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase wechselseitig mit der Mehrzahl von Profilzähnen (826, 826a, 826b) des ersten Körpers (110) und der Mehrzahl von Führungsnuten (816, 816a, 816b) des Gehäuses (130, 132) Eingriff zu nehmen; wobei eine erste Führungsfeder (834a) aus der Mehrzahl von Führungsfedern (834, 834a) des zweiten Körpers (120) in der ersten Phase mit einem ersten Profilzahn (826a) aus der Mehrzahl der Profilzähne (826, 826a, 826b) des ersten Körpers (110) in Eingriff ist; und wobei die erste Führungsfeder (834a) aus der Mehrzahl von Führungsfedern (834, 834a) des zweiten Körpers (120) in der zweiten Phase mit einem zweiten, zu dem ersten Profilzahn (826a) benachbarten, Profilzahn (826b) aus der Mehrzahl der Profilzähne (826, 826a, 826b) des ersten Körpers (110) in Eingriff ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend eine Ratschenmechanik (1210, 1222, 1212), welche ausgebildet ist, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors der Zentrifuge eine Position des ersten Körpers (1230) bezüglich des zweiten Körpers (1220) zu verändern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–12, bei der das Rückstellmittel (710, 1210) eine Feder aus einem Kunststoffmaterial aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der ein Abstand der mindestens zwei Körper (110, 120, 510) zueinander bei einem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase größer ist, als ein Abstand der mindestens zwei Körper (110, 120, 510) zueinander in der ersten Phase und in der zweiten Phase.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner einen dritten, in Stapelrichtung angeordneten Körper (510) mit einer ersten Kavität (720b) und einer zweiten Kavität (720a) aufweist, wobei die Vorrichtung (700) ausgebildet ist, um in einer Phase die erste Kavität (720b) des dritten Körpers (510) mit der ersten Kavität (160a) des zweiten Körpers (120) fluidisch zu koppeln, und um in einer weiteren Phase die zweite Kavität (720a) des dritten Körpers (510) mit der ersten Kavität (160a) des zweiten Körpers (120) fluidisch zu koppeln.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der erste Körper (110) ferner eine dritte Kavität (150c) aufweist, wobei die Vorrichtung (700) ferner ausgebildet, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors, in einer dritten Phase, die dritte Kavität (150c) des ersten Körpers (110) mit der ersten Kavität (160a) des zweiten Körpers (120) fluidisch zu koppeln.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der zweite Körper (120) innerhalb seiner ersten Kavität (160a) eine Mischvorrichtung (730) aufweist; wobei die Mischvorrichtung (730) eine Mischwanne (835) und eine Separationsvorrichtung (840) mit mindestens einer Durchgangsöffnung (845) aufweist; und wobei ansprechend auf eine Rotation des Rotors, ein Abstand zwischen zumindest einem Wandabschnitt der Mischwanne (835) und der Separationsvorrichtung (840) variabel ist, so dass eine in der Mischwanne (835) befindliche Flüssigkeit durch die mindestens eine Durchgangsöffnung (845) der Separationsvorrichtung (840) hindurch gepresst wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der das Gehäuse (130, 132, 134) mindestens zwei voneinander separierbare Gehäuseteile (132, 134) aufweist, so dass bei einer Separation der mindestens zwei Gehäuseteile (132, 134) mindestens einer der mindestens zwei Körper (110, 120, 510) aus der Vorrichtung (700) entnehmbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, die ferner eine von außerhalb der Vorrichtung ablesbare Phasenanzeige (814, 842) aufweist, wobei die Phasenanzeige (814, 842) ausgebildet ist, um anzuzeigen in welcher Phase sich die Vorrichtung (700) zu einem Zeitpunkt des Ablesens befindet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der mindestens eine der Kavitäten (150a, 150b, 160a, 1222, 1232) der Vorrichtung von außerhalb der Vorrichtung zugänglich ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Vorrichtung Kunststoffmaterial aufweist.
Zentrifuge mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21.
Verfahren zum fluidischen Koppeln von Kavitäten mit: Rotieren (1310) eines Rotors einer Zentrifuge mit einer ersten Geschwindigkeit; wobei in einer Halterung des Rotors ein Gehäuse eingesetzt ist, in welchem mindestens zwei übereinander gestapelte Körper in einer Stapelrichtung so angeordnet sind, dass bei einer Rotation des Rotors ein Abstand eines der mindestens zwei Körper zu einer Rotationsachse des Rotors geringer ist, als ein Abstand eines anderen der mindestens zwei Körper zu der Rotationsachse des Rotors; wobei ein erster der mindestens zwei Körper zumindest eine erste und eine zweite Kavität aufweist; wobei ein zweiter der mindestens zwei Körper zumindest eine erste Kavität aufweist; wobei die mindestens zwei Körper in dem Gehäuse beweglich zueinander angeordnet sind, um ansprechend auf eine Rotation des Rotors in einer ersten Phase die erste Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln, und in einer zweiten Phase die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch zu koppeln; und wobei die erste Geschwindigkeit so gewählt ist, dass die erste Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch gekoppelt ist; wobei das Gehäuse ferner ein Rückstellmittel aufweist; wobei das Rückstellmittel auf mindestens einen der mindestens zwei Körper eine Rückstellkraft ausübt, um, abhängig von einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors die mindestens zwei Körper in einer gegebenen Position bezüglich des Gehäuses zu halten; und wobei das Rückstellmittel so ausgebildet ist, dass ein erster Betrag einer in entgegensetzte Richtung zu der Rückstellkraft wirkenden, auf einer Zentrifugalkraft basierenden Kraft, bei einer ersten Winkelgeschwindigkeit in der ersten Phase, größer als ein Betrag der Rückstellkraft ist, und so dass ein zweiter Betrag der in entgegensetzte Richtung zu der Rückstellkraft wirkenden Kraft, bei einer zweiten Winkelgeschwindigkeit bei einem Übergang von der ersten in die zweite Phase, kleiner als der Betrag der Rückstellkraft ist, so dass sich bei dem Übergang von der ersten Phase in die zweite Phase mindestens einer der mindestens zwei Körper innerhalb des Gehäuses bewegt; und Verändern (1320) der Geschwindigkeit des Rotors der Zentrifuge so, dass die zweite Kavität des ersten Körpers mit der ersten Kavität des zweiten Körpers fluidisch gekoppelt ist.
Verfahren zur Herstellung eines markierten Ausgangstoffes, bei dem ein Verfahren gemäß Anspruch 23 verwendet wird.