DE60212614T2

DE60212614T2 - "Reagens-Zufuhrsystem"

Info

Publication number: DE60212614T2
Application number: DE2002612614
Authority: DE
Inventors: David James Salisbury SQUIRRELL
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 2001-04-30
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: JP4147113B2; CN1535182A; WO2002087762A8; NZ529188A; KR20040015203A; US7638097B2; US20150125939A1; WO2002087762A1; ATE330703T1; US20100120131A1; CN1289197C; US9067209B2; KR100866016B1; US8815181B2; EP1383602A1; EP1383602B1; CA2445863C; JP2004537714A; US8778283B2; US8298497B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reagens-Zufuhrsystem, insbesondere ein Gerät zur selektiven Zufuhr eines oder mehrerer flüssiger Reagentien in eine Reaktions- oder Testkammer beispielsweise eines Analysegeräts. Die Erfindung betrifft ferner eine diskrete Reagens-Zufuhreinheit zur Verwendung mit der Erfindung, sowie ein Verfahren zur Zufuhr eines oder mehrerer flüssiger Reagentien in eine Reaktions- oder Testkammer eines solchen Geräts.
Viele Prozeduren der chemischen Reaktion, wie beispielsweise die Extraktion und Reinigung der DNA oder die Erfassung von Mikroorganismen, erfordern eine sequentielle Zugabe eines oder mehrerer (typischerweise mehrerer) Reagentien in eine Reaktions- oder Testkammer, oft in genau abgemessenen und/oder zeitlich abgestimmten Mengen, wobei die Reagentien vor der Verwendung getrennt bleiben müssen. Wenn diese Anforderung einer separaten Lagerung vor der Zufuhr jedoch gegeben ist, ist es schwierig, die selektive Zufuhr jedes Reagens in genau abgemessenen und/oder zeitlich abgestimmten Mengen vorzusehen, wenn ein Gerät verwendet wird, das einfach, kompakt und kosteneffektiv ist. Diese widerstreitenden Kriterien sind dann noch schwieriger in praktischer und kommerziell erfolgreicher Hinsicht zusammen mit einem automatisierten Test- oder Analysegerät zu realisieren, wo es wünschenswert ist, dass die Einstellungsprozeduren vereinfacht und die Gesamtkosten und die Systemwartung minimiert sind und das Eingreifen einer Bedienungsperson auf ein Minimum beschränkt ist.
Obwohl es viele bekannte kommerzielle Bespiele von Test- oder Analysegeräten gibt, die verschiedene Typen von Reagens- Zufuhrsystemen enthalten, weisen die meisten, wenn nicht alle, in mindestens einem oder aber mehreren der obengenannten Kriterien Defizite auf.
In einem ersten Aspekt gibt die Erfindung ein Reagens-Zufuhrsystem zur selektiven Zufuhr eines oder mehrerer flüssiger Reagentien in eine Reaktions- oder Testkammer an, wobei das System umfaßt:
eine Wegwerfeinheit, die eine Reaktions- oder Testkammer enthält, und eine oder mehrere Speicherkammern, die mit dem einen oder mit mehreren flüssigen Reagentien vorher gefüllt wurden, wobei die eine oder die mehreren Speicherkammern geschlossene Böden und zu öffnende abgedichtete Mundöffnungen aufweisen, die über der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind, und
ein Kolbenelement, das angeordnet und zur Einführung in die Mundöffnung einer ausgewählten Speicherkammer betreibbar ist, um ein ausgewähltes Reagens aus der Speicherkammer durch Überfließen der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft aus der Mundöffnung der Speicherkammer in die im allgemeinen darunter angeordnete Reaktions- oder Testkammer zu verdrängen.
Die Ausführungsformen des Geräts der Erfindung geben ein Reagens-Zufuhrsystem an, das, zusammen mit der Genauigkeit der dosierten Mengen und/oder Zeiten, falls erwünscht, eine separate Reagens-Speicherung vor der Verwendung ermöglicht, wobei ein Gerät verwendet wird, das preiswert, kompakt und einfach einzurichten, zu benutzen und zu warten sein kann.
Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, dass es das zugrundeliegende Prinzip des die Erfindung darstellenden Geräts ist, einen Kolben zu verwenden, der in eine Speicherkammer eingeführt wird, die ein flüssiges Reagens enthält, um die Verdrängung des Reagens zu bewerkstelligen, so dass es aus der Mundöffnung der Speicherkammer überfließt und aufgrund der Schwerkraft in eine Reaktions- oder Testkammer fließt, die im allgemeinen unterhalb der Speicherkammer angeordnet ist.
In bevorzugten praktischen Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung bildet das Zufuhrsystem einen Teil eines Reaktions-, Test- oder Analysegeräts, insbesondere eines automatisierten Geräts, das die Reaktions- oder Testkammer, die eine oder die mehreren entsprechenden Speicherkammern, die im allgemeinen darüber angeordnet sind, und das Kolbenelement zusammen mit der Regeleinrichtung zur Regelung der physikalischen Bewegung des Kolbenelements enthält.
Das Gerät kann ferner eine Heizeinrichtung umfassen, die zur Regelung der Temperatur der Reagentien in der Reaktions- oder Testkammer und/oder in der einen oder den mehreren Speicherkammern angeordnet ist. Die Heizeinrichtung enthält geeigneterweise ein elektrisch leitendes Polymer, das im folgenden im Einzelnen beschrieben ist, das dadurch erwärmbar ist, dass ein geregelter elektrischer Strom durch dasselbe hindurchgeleitet wird. Das Gerät kann daher ferner eine Regeleinrichtung, wie z.B. eine Computer-Regeleinrichtung, für die Heizeinrichtung umfassen.
Die Regeleinrichtung umfaßt bevorzugt im allgemeinen eine mechanische Einrichtung für den Eingriff mit dem Kolben und zu seiner physischen Bewegung, wie sie in vorhandenen Test- oder Analysemaschinen wohlbekannt ist, und geeignete Hardware und Software, die zur Ausführung der vorgegebenen Bewegungen des Kolbenelements in Übereinstimmung mit einer beliebigen Reaktions-, Test- oder Analyseprozedur(en) programmiert ist, die unter Verwendung des Geräts durchgeführt werden sollen. Hierzu sind im Folgenden weitere Ausführungen gemacht.
Das Zufuhrsystem gemäß diesem ersten Aspekt der Erfindung kann beispielsweise in der Endstufe eines Mehrstufen-Analysegeräts eingesetzt werden, beispielsweise zur Durchführung von Adenylat-Kinase-Amplifikationsanalysen (AK) zur Erfassung einer bakteriellen Kontamination von Lebensmitteln, bei denen mehrere Reagentien sequentiell einer Testkammer zugeführt werden müssen, die eine vorher vorbereitete Probe für die Adenylat-Kinase-Phagen-Endpunkt-Analyse enthält. Ein Beispiel für eine derartige Analysetechnik ist in EP-A-0 680 515 beschrieben. Als weiteres Beispiel könnte dieses Zufuhrgerät als diskrete Stufe bei der Extraktion und Reinigung von DNA eingesetzt werden, bei der eine sequentielle Zuführung mehrerer Reagensflüssigkeiten in ein einziges Reaktionsgefäß erforderlich ist.
Praktisch gesehen, kann die Verwendung des oben definierten Zufuhrsystems in jedem der obigen beispielhaften Fälle noch zweckmäßiger gestaltet werden, indem die Reaktions- oder Testkammer und die eine oder die mehreren Reagens-Speicherkammer(n) als unitäre diskrete Einheit vorgesehen sind.
Die Erfindung gibt daher in einem zweiten Aspekt eine wegwerfbare Reaktions- oder Testeinheit zum Gebrauch in einem Reagens-Zufuhrsystem nach Anspruch 1 an, wobei die Einheit umfaßt: eine Reaktions- oder Testkammer und eine oder mehrere Speicherkammern, die mit einem oder mehreren flüssigen Reagentien vorher gefüllt wurden, wobei die eine oder mehreren Speicherkammern geschlossene Böden aufweisen und zu öffnende abgedichtete Mundöffnungen, die über der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind.
Falls erwünscht, kann die Testkammer und/oder die Speicherkammer mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung geliefert werden. Wenn die Testkammer mit einer solchen Einrichtung ausgestattet ist, ist es möglich, in der Testkammer Reaktionen auf einfache Weise durchzuführen, die Erwärmen oder Kühlen oder eine thermische Kreislaufführung erfordern, wie beispielsweise Amplifikationsreaktionen, e.g. die Polymerasekettenreaktion (PCR). Wenn die Speicherkammern mit Heiz- und/oder Kühleinrichtungen ausgestattet sind, können diese eingesetzt werden, um in die Testkammer Reagentien einer bestimmten Temperatur zu fördern.
Insbesondere umfaßt die Heizeinrichtung ein elektrisch leitendes Polymer, wie beispielsweise in WO 98/24548 beschrieben. Das Polymer wird erwärmt, wenn ein elektrischer Strom durch dasselbe geleitet wird. Die niedrige thermische Masse des Polymers bedeutet aber auch, dass auch ein rasches Kühlen gewährleistet ist, wenn der Strom ausgeschaltet ist.
Diese Polymere sind flexibel und zweckmäßig, weil sie so gefaltet oder geformt werden können, dass sie mit jedem beliebigen Reaktionsgefäß, beispielsweise den Test- und/oder Speicherkammern der vorliegenden Erfindung, einen engen Kontakt gewährleisten können. Daher kann das Polymer beispielsweise einen Bogen um die Test- und/oder Speicherkammern herum bilden oder es kann in diese integriert sein.
Wenn die Testkammer und/oder die Speicherkammern elektrisch leitende Polymere als einen integrierten Teil derselben enthalten, können sie durch Strang- oder Spritzgießen oder durch ähnliche Techniken aus dem Polymer hergestellt sein. Alternativ dazu kann die Testkammer oder die Speicherkammer hergestellt werden, indem eine Konstruktion aus Verbundwerkstoff verwendet wird, in die eine Schicht des leitenden Polymers zwischen die Schichten des Materials gelegt ist, aus der das Gefäß hergestellt ist, oder in der die innere oder die äußeren Fläche des Reaktionsgefäßes mit dem Polymer beschichtet ist, oder auch, in der das Gefäß im wesentlichen aus dem Polymer besteht, das mit einem dünnen Laminat eines PCR-kompatiblen Materials beschichtet ist. Solche Gefäße können unter Anwendung von Laminieren und/oder Auftrag, beispielsweise durch chemische oder elektrochemische Auftragstechniken, hergestellt werden, wie sie im Stand der Technik üblich sind.
Bei einer speziellen Ausführungsform ist das elektrisch leitende Polymer jedoch nur in einen bestimmten Bereich der Test- oder Speicherkammern, und insbesondere in einem unteren Bereich, integriert, wo sich die Reagentien befinden oder gespeichert sind. Dadurch ist für eine effiziente Heizung nur der Reagentien und nicht der anderen Bereiche der Kammern gesorgt. Solche Kammern können hergestellt werden, indem herkömmliche "Überformungs"-Techniken angewendet werden.
Test- oder Speicherkammern, die das Polymer als integriertes Teil enthalten, können besonders kompakte Strukturen aufweisen.
In den bevorzugten praktischen Ausführungsformen dieses zweiten Aspekts der Erfindung sind die Reaktions- oder Testkammer und die eine oder mehreren Speicherkammern aus einem geeigneten geformten Kunststoffmaterial, z.B. aus Polypropylen, hergestellt und befinden sich bevorzugt in einem integrierten Gehäuse desselben. Das Gehäuse kann bevorzugt eine obere Umfangswand enthalten, die die Mundöffnungen der Speicherkammern kollektiv umgibt und sich oberhalb derselben und an diesen vorbei erstreckt und als Ablenkfläche wirkt und die flüssigen Reagentien, die aus den Kammern überfließen, in die darunterliegende Reaktions- oder Testkammer lenkt.
Wenn die Test- oder Speicherkammern elektrisch leitende Polymere enthalten, kann das Gehäuse mit elektrischen Kontakten versehen sein, die so angeordnet sind, dass sie mit der Heizeinrichtung des elektrisch leitenden Polymers in Kontakt kommen, wenn sich die Test- oder Speicherkammern im Gehäuse positioniert befinden. Diese Kontakte sind zweckmäßigerweise mit einer Stromversorgung verbunden, bevorzugt mit Hilfe einer Automatikregelung, beispielsweise einem Computer, so dass die Temperaturen der Reagentien in den Test- oder Speicherkammern automatisch geregelt werden können. Falls erforderlich, kann auch ein Temperaturüberwachungsgerät, beispielsweise ein Thermoelement, eingebaut sein, und die Ergebnisse können zur Regeleinrichtung zurückgeführt werden, um sicherzustellen, dass die gewünschten Temperaturen genau erhalten und/oder aufrechterhalten werden.
Die Einheit ist mit der einen oder den mehreren Speicherkammern ausgestattet, die vorher mit den vorgegebenen Mengen der ausgewählten Reagentien gefüllt wurden, und die Mundöffnungen der Kammer(n) sind in geeigneter Weise mit durchstechbaren Dichtmitteln, wie beispielsweise herkömmlichen Foliendichtungen, abgedichtet. Die Reaktions- oder Testkammer der Einheit enthält eine vorher ausgegebene Menge eines festen (z.B. gefriergetrockneten) oder flüssigen Reagens, wobei die Kammer gleichfalls mit ihrer eigenen entsprechenden Schutzdichtung abgedichtet ist.
Ferner kann, falls erwünscht, unterhalb der Reaktions- oder Testkammer eine Hilfskammer für das Reagens vorgesehen sein, deren Mundöffnung selbst mit einer entsprechenden Schutzdichtung abgedichtet ist, die den Boden der Reaktions- oder Testkammer vorgibt, wobei die Hilfskammer eine vorher ausgegebene Menge eines festen oder flüssigen Hilfsreagens enthält, in das der Inhalt der Reaktions- oder Testkammer während einer erwünschten Stufe in der Gesamtprozedur zugeführt wird. In einigen Fällen kann die Hilfsreagenskammer über dem Boden der Reaktions- oder Testkammer aufgehängt sein. Dadurch ist es möglich, dass am Boden der Testkammer weitere Reagentien enthalten sind, die in die Reaktion nur dann mit einbezogen werden, wenn beide, die obere und die untere Oberfläche der Reaktionskammer, perforiert sind.
Das Dichtmittel, das jede der obengenannten Kammern der Einheit abschließt, läßt sich von der Spitze des Kolbenelements, wenn dieses sich in die Mundöffnung einer entsprechenden Kammer bewegt, bevorzugt leicht brechen oder perforieren. Die Spitze des Kolbenelements ist daher bevorzugt für diesen Zweck geformt. Sie kann beispielsweise konisch, mit einer scharfen Spitze ausgestattet sein und/oder ihre Außenfläche könnte Strebenpfeiler oder Rippen aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Spitzenabschnitt des Kolbens sogar eine oder mehrere Kanalbildungen aufweisen, die auf seiner Außenfläche als Bahn für das flüssige Reagens ausgebildet sind, damit dieses vom Kolben ablaufen kann, wenn dieser aus einer der Kammern zurückgezogen wird.
In Abhängigkeit von der Anzahl der zuzuführenden Reagentien kann eine beliebige Anzahl von Reagens-Speicherkammern in Kombination mit der Reaktions- oder Testkammer vorgesehen sein. Typischerweise werden mehrere, beispielsweise 2, 3 oder 4, aber möglicherweise auch mehr Reagentien jeweils aus ihrer eigenen entsprechenden Speicherkammer zuzuführen sein, die bevorzugt symmetrisch um und im allgemeinen über dem Umfang der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind. Das Volumen der oder jeder Speicherkammer kann unabhängig je nach dem Reagensvolumen gewählt werden, das aus derselben zugeführt werden soll.
In Abhängigkeit von der durchzuführenden Reaktion ist die Natur des verwendeten Reagens weitgehend variabel. Zusätzlich zu den Reagentien, die zur Durchführung der gewünschten Reaktion notwendig sind, können Kammern mit vorgesehen sein, die Kalibrierungs- oder Quenchmittel verwenden, und diese können zu einem geeigneten Zeitpunkt während der Reaktion dann auch noch zugesetzt werden.
Der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendete Begriff "im allgemeinen über", der sich auf den Ort der Speicherkammer(n) des Reagens, bezogen auf die Reaktions- oder Testkammer bezieht, bedeutet, dass das größere Volumen der/jeder Speicherkammer über dem Niveau der Mundöffnung der Reaktions- oder Testkammer liegt, d.h. derart, dass das flüssige Reagens unter dem Einfluß der Schwerkraft von der Mundöffnung einer Speicherkammer, wenn es aus dieser überfließt, nachdem es durch den dort eindringenden Kolben verdrängt wurde, in die Reaktions- oder Testkammer fließen kann. Im allgemeinen ist es bevorzugt so, dass sich das Gesamtvolumen jeder Speicherkammer über dem Niveau der Mundöffnung der Reaktions- oder Testkammer befindet.
Um bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung eine genaue Dosierung der Reagentien zu erzielen, werden Form und Abmessungen des Kolbenelements, kombiniert mit der Form und den Abmessungen der entsprechenden Speicherkammern, sowie die Bewegungsgröße des Kolbenelements in jede Kammer, welche durch die Regeleinrichtung des Kolbens geregelt wird, normalerweise vorher festgelegt. Hierbei werden typischerweise typische Mengen Restreagens mit in Betracht gezogen, die sich noch in den verschiedenen Kammern befinden oder an den Außenflächen der Kammern oder dem Kolbenelement anhaften.
In den praktischen Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird das Kolbenelement bevorzugt für eine sequentielle Einführung in jede Speicherkammer angeordnet und geregelt, die ein zuzuführendes Reagens enthält, und die Zurückziehung aus derselben. Das Kolbenelement kann die Form einer massiven oder hohlen zylindrischen Stange oder Wand haben und die Reagens-Speicherkammern können typischerweise die Form von abgestützten zylindrischen Rohren haben. Daher ist das Kolbenelement im allgemeinen beweglich: (a) längs einer aufrechten (bevorzugt im wesentlichen senkrechten) Achse zum Zweck der Verdrängung flüssiger Reagentien aus ihren jeweiligen Speicherkammern, und auch zur anfänglichen Durchlöcherung der Dichtungen, die dieselben verschließen, und bevorzugt auch (b) in einer (bevorzugt im wesentlichen horizontalen) Ebene, damit dieses von einer Speicherkammer zur anderen bewegt werden kann, und so dass es (optional auch mit der genannten vertikalen Bewegung oder als eine Alternative zu dieser) als Rührstange zum Mischen von Reagentien in der Reaktions- oder Testkammer (oder sogar in der darunterliegenden Hilfsreagenskammer, falls diese vorliegt) verwendet werden kann. All diese Bewegungen des Kolbenelements sind in einer vorgegebenen Weise von der obengenannten Regeleinrichtung regelbar.
In den Versionen des Geräts, in denen der Kolben eine hohle Stange (bevorzugt ein Hohlzylinder) ist, kann er sich als nützlich erweisen, damit ein zurückziehbarer Magnet in den Kolben eingeführt werden kann, um mit Proben beladene Magnetperlen aus einer früheren Stufe in einem Analysegerät einzusammeln, von dem das Zufuhrgerät der Erfindung einen Teil bildet. Dieses ist nur ein Beispiel einer bekannten Analysetechnik, in der die Erfindung angewendet werden kann.
In einer möglichen Form der diskreten Reaktions- oder Testeinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann das Kolbenelement selbst als Komponente der Einheit, beispielsweise als eine sich nach unten erstreckende Stange vorgesehen sein, die an einem oberen Verschlußdeckel angeordnet ist, der die gesamte Einheit vor dem Gebrauch abdichtet. In diesem Fall ist der Deckelteil bevorzugt mit einem Mittel ausgestattet, durch welches er mit der Kolbenregeleinrichtung physisch in Eingriff kommen kann, wenn er von der Einheit abgekoppelt ist. Auch für diesen Fall muß der Abstand zwischen der unteren Spitze des Kolbenelements und dem Deckelteil, an dem es angebracht ist, für die praktische Realisierbarkeit bevorzugt größer sein, als die Tiefe der verschiedenen Reagens-Speicherkammern (und auch größer als die kombinierten Tiefen der Reagens-Speicherkammern und der Reaktions- und Testkammern selbst, in dem Fall, in dem sich darunter eine Hilfsreagenskammer befindet). In Ausführungsformen, in denen das Kolbenelement von einem Deckel getragen wird, wie oben definiert, kann es beispielsweise zweckmäßig sein, wenn der Kolben vom Zentrum versetzt und der Deckel so montiert ist, dass er ein karusselartiges Bauteil für den Eingriff mit der Kolbenregeleinheit bildet, wodurch die horizontale Bewegung des Kolbens zwischen den symmetrisch angeordneten Reagenzkammern einfach durch die Drehung des Deckelelements bewirkt werden kann.
Die vorliegende Erfindung umfaßt gemäß einem dritten Aspekt ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen oder biochemischen Reaktion oder einer Analyse, das die selektive Zufuhr eines oder mehrerer flüssigen Reagentien, die für die chemische oder biochemische Reaktion oder die Analyse benötigt werden, in eine Reaktions- oder Testkammer in einem Test- oder Analysegerät umfaßt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Liefern des einen oder der mehreren Reagentien in eine oder mehrere entsprechende Speicherkammern, die im allgemeinen über der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind, wobei die eine oder die mehreren Speicherkammern geschlossene Böden und zu öffnende oder offene Mundöffnungen aufweisen, und Einführen eines Kolbenelements in die Mundöffnung einer ausgewählten Speicherkammer, wodurch ein ausgewähltes Reagens von dort durch den Schwerkraftüberfluß der Flüssigkeit von der Mundöffnung der Kammer in die, im allgemeinen darunter befindliche, Reaktions- oder Testkammer gelangt, und Reagierenlassen des zugeführten Reagens (der Reagentien) mit dem Inhalt der Reaktions- oder Testkammer, so dass eine chemische oder biochemische Reaktion oder eine Analyse erfolgt.
Das obige Verfahren kann insbesondere durch die Verwendung eines Zufuhrgeräts oder eines Reaktions-, Test- oder Analysegeräts oder einer diskreten Reaktions- oder Testeinheit gemäß einer der Ausführungsformen des ersten und zweiten Aspekts der oben beschriebenen Erfindung in die Praxis umgesetzt werden.
Die verschiedenen Aspekte der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden im Einzelnen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform des Reagens-Zufuhrgeräts der Erfindung,
2 eine schematische perspektivische Ansicht der Hauptelemente eines beispielhaften Analysegeräts, in welches das Gerät von 1 eingebaut ist,
3(a) und 3(b) schematische Draufsichten auf eine weitere Ausführungsform des Geräts, die dem von 1 sehr ähnlich ist, aber vier getrennte Reagens-Speicherkammern enthält und die Einheit (a) vor und (b) nach dem Schritt der Ausgabe eines ersten Reagens in die Reaktionskammer des Geräts schematisch zeigen,
4(a), (b) und (c) schematische Seitenansichten einer vereinfachten Version des Geräts von 1, die nur zwei Reagens-Speicherkammern zeigen, (a) am Beginn der Reagens-Zufuhrprozedur, (b) einen Teil der Prozedur, wobei das erste der Reagentien gerade in die Reaktionskammer gegeben wird, und (c) in der die Zufuhr des ersten Reagens abgeschlossen ist und das Kolbenelement bereit ist, sich zur nächsten Reagenskammer zu bewegen,
5 eine Kolbenelementanordnung, die im Gerät der Erfindung verwendet werden kann, wobei (a) eine perspektivische Darstellung ist, die einen Kolben mit einem installierten Magneten zeigt, (b) eine Seitenansicht auf den Magneten ist, (c) und (d) eine End- bzw. eine Seitenansicht auf den Magneten zeigen und (e) eine Draufsicht auf die Anordnung ist und
6 eine schematische Ansicht auf ein Gerät zur Durchführung von Adenylat-Kinase-Analysen, welches das Zufuhrgerät der Erfindung enthält.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, in der das Gehäuse 1 aus spritzgegossenem Polypropylen hergestellt ist (welches ein bevorzugtes Material ist, da es sich einfach der Autoclavenbehandlung unterziehen läßt und, wenn man es beispielsweise mit einem Gehäuse aus Nylon oder Polyethylen vergleicht, wäßrige Flüssigkeiten nicht so leicht am Gehäuse haftenbleiben). Das Gehäuse 1 enthält einen unteren zentralen Behälter oder eine Reaktionskammer 2, die leer sein oder vor ihrer Benutzung ein vorher ausgegebenes festes oder flüssiges Reagens 3 enthalten kann. In diese Kammer 2 kann eine Probe zur Reaktion oder Analyse gegeben werden. Ein Kolben 4 in Form einer massiven Stange oder einer Hohlwand mit einer scharfen konischen Spitze 4a kann, durch Regel-Hardware und -Software geregelt, horizontal oder vertikal bewegt werden (nicht gezeigt).
In dieser dargestellten Ausführungsform ist die Spitze des Kolbens 4 als Deckel 9 ausgebildet, der verwendet werden kann, um die Einheit vor dem Gebrauch und/oder zur Speicherung (wie weiter oben allgemein beschrieben), sowie zum Eingriff (z.B. mit Hilfe von Schlitzen (nicht gezeigt) oder einer anderen geeigneten bekannten Befestigung dieses Hardwaretyps) durch den Mechanismus abzudichten, der die Bewegung des Kolbens regelt. Auch in dieser Ausführungsform ist der Kolben 4 als eine hohle zylindrische Stange gezeigt, die eine offene Mundöffnung 9a an der Spitze zur Aufnahme eines zylindrischen Magneten 30 aufweist (der auch von der Gesamtregelung der Regeleinrichtung des Geräts geregelt wird).
Über dem Reaktionsbehälter 2 befinden sich, symmetrisch angeordnet, zwei Speicherkammern 5, 6, jede enthält ein entsprechendes flüssiges Reagens zur Zuführung in den Reaktionsbehälter 2 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der Prozedur, und jede ist mit einer herkömmlichen Foliendichtung 18 abgedichtet. Wenn ein Reagens zu liefern ist, wird der Kolben 4 mit der entsprechenden Kammer 5 oder 6 in Übereinstimmung gebracht, dann abgesenkt, um die entsprechende Dichtung 18 zu durchbohren, und dann weiter in die Kammer derart eingeführt, dass das flüssige Reagens daraus verdrängt wird, welches dann einfach aus der Kammer überfließt und unter dem Einfluß der Schwerkraft in den darunterliegenden Reaktionsbehälter 2 hinabläuft.
Zusätzliche senkrechte und/oder mögliche horizontale Bewegungen des Kolbens oder der Wand 4 im Reaktionsbehälter 2 können genutzt werden, um ein Mischen der ausgegebenen Reagentien mit der Probe zu bewirken.
Eine getrennte, mit einer Folie abgedichtete Hilfskammer 7 ist unter der Reaktionskammer 2 vorgesehen, die ein Mittel zum Speichern eines oder mehrerer getrockneter Hilfsreagentien 8 angibt, die mit den Reagentien im Reaktionsbehälter gemischt werden können, wobei die Wand 4 verwendet wird, um die entsprechende Schutzdichtung 18 derselben zu durchstanzen.
In der Praxis kann der Fluß der Reagentien aus den verschiedenen Speicherkammern in den Reaktionsbehälter hinunter dadurch unterstützt werden, dass die Oberflächenspannung der verschiedenen Flüssigkeiten verringert wird. Das ist eine in bestimmten bekannten analytischen Verfahren bekannte Technik und sie kann realisiert werden, indem man beispielsweise eine geeignete Menge eines oberflächenaktiven Mittels, wie beispielsweise Triton X-100 (Warenzeichen), entweder in die flüssigen Reagentien oder möglicherweise direkt in die geeigneten Kammern des Geräts hineingibt.
2 stellt ein Beispiel eines Analysegeräts dar, in welches das Zufuhrgerät von 1 eingebaut ist. Als ein Beispiel ist die Einheit von 1 hier als Endkammer einer Reihe von drei Kammern gezeigt, die eine Wegwerfeinheit zur Durchführung von Adenylat-Kinase-Phagen-Analysen zur Erfassung einer bakteriellen Kontaminierung von Lebensmitteln bilden.
Der Behälter 10 der ersten Stufe enthält vorher ausgegebene Magnetperlen, die für eine spezifizierte Abfangung von Zielorganismen mit Antikörpern beschichtet sind. Wenn ein Hohlkolben verwendet wird, der sich von Behälter zu Behälter bewegen und unter seinem Zentrum einen zurückziehbaren Magneten aufnehmen kann, können die Perlen und die abgefangenen Bakteriezellen zum Behälter 11 der zweiten Stufe, welche eine vorher ausgegebene Waschlösung enthält, und dann für die Adenylat-Kinase-Analyse zur Endkammer 12 der Einheit der Erfindung transportiert werden. Um nur ein Beispiel zu nennen, dieser erste Teil der Analyse kann ein kommerziell verfügbares Analysensystem, genannt Kingfisher (Warenzeichen) (ex Labsystems), nutzen. Für die Adenylat-Kinase-Phagen-Endpunkt-Erfassung sind die Reagens-Lösungen in der Endeinheit der Erfindung typischerweise eine Nährbrühe 12 im Hauptreaktionsbehälter oder in der Hauptreaktionskammer, eine Phage 13 in einer der Speicherkammern, das Adenosindiphosphat (ADP) 14 in der anderen Speicherkammer und ein Biolumineszenz-Reagens 15 in der Hilfskammer unterhalb des Hauptreaktionsbehälters.
Anstelle der Phage 13 oder des Adenosindiphosphats 14 kann das Gerät zweckmäßigerweise durch die Zugabe einer bekannten Menge Adenosintriphosphat (ATP) aus einem Speicherbehälter kalibriert werden.
In zusätzlichen Speicherkammern oder -behältern können zusätzliche Reagentien enthalten sein. So kann es beispielsweise im Zusammenhang mit der Adenylat-Kinase-Phagen-Analyse wünschenswert sein, noch einen Behälter einzubauen, der ein Quencher-Reagens, beispielsweise ein Bleichmittel oder eine Farbe, enthält und befähigt ist, die Reaktion anzuhalten oder die Biolumineszenz zu löschen. Dieser ist zweckmäßigerweise so angeordnet, dass die Zufuhr am Ende der Reaktion erfolgt.
Das kann insbesondere hilfreich sein, wenn das Gerät mehr als eine Testkammer enthält, wodurch die mehreren Reaktionen sequentiell überwacht werden können. Durch Quenchen einer leichten Reaktion in einer Kammer wird eine leichte Leckage zum Luminometer verhindert, der das Signal der nächsten Reaktion liest.
Die 3(a) und 3(b) zeigen eine weitere Ausführungsform der Einheit der Erfindung, die beinahe die gleiche wie die von 1 ist, aber statt dessen vier Reagens-Speicherkammern 25, 26, 27 und 28 aufweist. 3(a) zeigt die Einheit, bevor das erste Reagens in Kammer 25 in den Reaktionsbehälter 2 gefördert wird, und 3(b) zeigt sie danach, wenn die vorgegebene Dosis des ersten Reagens 25'' in den Reaktionsbehälter 2 zugegeben wurde, wobei eine Restmenge 25' in der Kammer verblieben ist. Die 4(a), 4(b) und 4(c) zeigen ferner, in vereinfachter schematischer Form (was sich aber dem Fachmann aus der vorhergehenden Beschreibung und den Angaben in der Figur von selbst erschließt), den Betrieb des Geräts von 1, wobei die Bezugsziffern den gleichen Bauteilen und Merkmalen entsprechen, auf die bereits in den vorhergehenden Figuren Bezug genommen wurde und die oben beschrieben wurden.
4(a) zeigt das Gerät am Beginn der Reagens-Zufuhrprozedur. 4(b) zeigt die Situation, in der der Kolben gerade aus der Reagenskammer 6 zurückgezogen werden soll (in der eine vorher berechnete Restmenge 6' des Reagens zurückbleibt), nachdem eine vorgegebene Menge 6'' des Reagens von Kammer 6 in den Reaktionsbehälter 2 zugeführt wurde. 4(c) zeigt die Situation, die auf 4(b) folgt, in der der Kolben 4 aus der Speicherkammer 6 zurückgezogen wurde und wieder im zentralen Reaktionsbehälter 2 ist, und der optional senkrecht und/oder horizontal bewegt wird, um das Umrühren des Inhalts des Reaktionsbehälters 2 zu bewirken.
5 zeigt eine spezielle Form des Kolbens 4. In dieser Ausführungsform hat der Deckel 9 eine rechteckige Form und paßt somit in Bezug auf die Abdichtung in bestimmten Konfigurationen zum speziellen Gerät (siehe 6), wie im folgenden beschrieben ist. In diesem Fall ist er weiter mit zusätzlichen Greiflöchern (31) versehen, wodurch die Kolbenanordnung unter Verwendung einer Maschine von einer Kammer zur anderen bewegt werden kann.
6 zeigt ein diskretes Gerät zur Durchführung einer Adenylat-Kinase-Analyse zur Erfassung von Bakterienzellen. Im vorliegenden Fall ist das Zufuhrgerät in eine Stützeinheit 32 eingebaut, die mit einer Reihe zusätzlicher Behälter ausgestattet ist. Ein erster, optionaler Behälter 33 enthält eine Reagensbrühe 43, die zur Verdünnung viskoser Proben erforderlich sein kann. Er ist mit einer Kappe 35 verschlossen. Diesem ist ein Behälter 36 benachbart, der ein Speicher für Magnetperlen ist, die mit einem Sammelmittel, wie z.B. Antikörpern für Zellen oder Mikroorganismen, beschichtet sein können, und, falls erforderlich, für besondere Zielzellen oder -organismen spezifisch sind. Eine Brühe Waschflüssigkeit 37 ist in einem weiteren benachbarten Behälter 38 vorgesehen.
Das Reagens-Zufuhrgerät der Erfindung befindet sich in der Einheit. In dieser Ausführungsform umfaßt es eine Kammer für die Phage 13 und eine Kammer für das Adenosindiphosphat 14. Die Nährbrühe 12 wird in einen Hauptreaktionsbehälter 39 geliefert und gefriergetrocknetes Luciferin/Luciferase-Reagens 40 ist in einer mit Folie abgedichteten Hilfskammer 7, unter dem Hauptreaktionsbehälter 39, gespeichert. Diese Einheit ist über einem Behälter 41, der einen Puffer 42 enthält, aufgehängt.
Der Kolben 4 ist, wie 5 zeigt, in einem weiteren Behälter 43 untergebracht. Ein zusätzlicher Behälter 44 befindet sich zwischen dem Behälter 37 und dem Reaktionsbehälter 39 und kann ebenfalls den Kolben 4 aufnehmen, und er ist so angeordnet, dass, wenn sich der Kolben in diesem Behälter in Position befindet, der langgestreckte Deckel des Kolbens 9 den Reaktionsbehälter 39 abdeckt.
Die Behälter 36, 38, 39, 43 und 44 sind mit einem Metallfolien-Laminatbogen 45 abgedichtet.
Im Gebrauch wird eine flüssige oder verflüssigte Probe in den Probenbehälter 33 gegeben. Die Proben können beispielsweise gebildet werden, indem eine Tupfer-Probe in Nährbrühe 34 abgespült wird, die sich im Behälter 33 befindet. Dann wird der Folienbogen 45 entfernt und ein zylindrischer Magnet 30 (5) wird in den Kolben 4 eingeführt, der dann verwendet wird, um die Magnetperlen aus dem Behälter 36 zu sammeln. Der Kolben 4 mit den Perlen, die vom Magneten an der Oberfläche gehalten werden, wird dann in eine Probenflüssigkeit eingetaucht. Der Magnet 30 wird entfernt, die Perlen fallen ab und sie werden dann gründlich mit der Probe gemischt, indem beispielsweise der Kolben 4 als Rührer verwendet wird. In dieser Zeit binden sich die Zellen an die Perlen.
Der Magnet 30 wird dann wieder in den Kolben 4 gebracht, die Perlen bleiben am Kolben 4 hängen, der dann aus der Probe herausgenommen wird. Die Perlen werden dann in der Brühe 12 in der Reaktionskammer 39 deponiert, indem der Kolben 4 in den Behälter gesteckt und der Magnet 30 entfernt wird. Phage 13, die speziell für die Zielzellen bestimmt ist, wird in das Reaktionsgemisch gegeben, indem der Kolben 4 in die Kammer geschoben wird, die diese enthält, wobei er die Abdeckung durchstößt und so die Phage 13 in den Hauptreaktionsbehälter 39 hinein überfließt. Sodann wird der Kolben 4 in den Behälter 44 bewegt, so dass der Deckel 9 als Abdeckung für den Behälter 39 wirkt.
Das Reaktionsgemisch wird dann ein ausreichend lange bebrütet, sodaß die Phage die Zielzellen löst. In diesem Stadium können die Magnetperlen optional aus dem Reagensbehälter 39 entfernt werden, wobei der Kolben 4 verwendet wird, in den der Magnet 30 eingetaucht ist.
Dann wird Adenosindiphosphat 14 in den Reaktionsbehälter gegeben, indem der Kolben 4 in die Reaktionskammer derart eingeführt wird, dass das Adenosindiphosphat in den Reaktionsbehälter 39 überfließt. Falls erforderlich, kann das Reaktionsgemisch dann wieder bebrütet werden, wobei der Kolben 4 in Position im Behälter 44 ist, sodaß der Deckel 9 den Behälter 39 schließt und Adenylat-Kinase freigesetzt wird und Adenosindiphosphat in Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt wird.
Im Endstadium wird das Adenosintriphosphat im Reaktionsbehälter 39 erfaßt, indem der Kolben 4 durch die mit einer Folie abgedichtete Kammer 7 gestoßen wird, die getrocknete Luciferase und das Luciferin 40 freigesetzt werden und diese und das Reaktionsgemisch somit in den Puffer 42 fließen können. Die Reagentien mischen sich und erzeugen in Abhängigkeit von der Menge des vorliegenden Adenosintriphosphats ein Biolumineszens-Signal. Dieses kann erfaßt werden, indem beispielsweise ein Luminometer verwendet wird. Ein beliebiges Signal zeigt an, dass die Zielzellen in der Probe vorgelegen haben.
Zwischen all diesen Schritten kann der Kolben 4 gewaschen werden, indem er in die Brühe 37 im Behälter 38 eingetaucht wird. Die Bewegung des Kolbens 4 ist zweckmäßigerweise automatisiert, indem beispielsweise eine von einem Computer gesteuerte Einheit verwendet wird.
Das Gerät der Erfindung gibt somit ein zweckmäßiges Mittel zur Durchführung komplexer Analysen an.

Claims

Reagens-Zufuhrsystem zur selektiven Zufuhr eines oder mehrerer flüssiger Reagentien in eine Reaktions- oder Testkammer, wobei das System umfaßt: – eine Wegwerfeinheit, die eine Reaktions- oder Testkammer enthält, und – eine oder mehrere Speicherkammern, die mit dem einen oder mit mehreren flüssigen Reagentien vorher gefüllt wurden, wobei die eine oder die mehreren Speicherkammern geschlossene Böden und zu öffnende abgedichtete Mundöffnungen aufweisen, die über der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind, und – ein Kolbenelement, das angeordnet und zur Einführung in die Mundöffnung einer ausgewählten Speicherkammer betreibbar ist, um ein ausgewähltes Reagens aus der Speicherkammer durch Überfließen der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft aus der Mundöffnung der Speicherkammer in die im allgemeinen darunter angeordnete Reaktions- oder Testkammer zu verdrängen.
Reagens-Zufuhrsystem nach Anspruch 1, in dem die eine oder mehreren Speicherkammern vorher mit vorgegebenen Mengen eines oder mehrerer flüssiger Reagentien gefüllt wurden und die Mundöffnung der einen oder jeder Speicherkammer mit einem entsprechenden Dichtmittel abgedichtet ist.
Reagens-Zufuhrsystem nach Anspruch 2, in dem das Dichtmittel, das jede Kammer verschließt, durch die Spitze des Kolbenelements, wenn dieses sich in die Mundöffnung einer entsprechenden Kammer bewegt, aufgebrochen oder perforiert werden kann.
Reaktions-, Test- oder Analysegerät, das ein Reagens-Zufuhrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zusammen mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der physischen Bewegung des Kolbenelements umfaßt.
Reaktions-, Test- oder Analysegerät nach Anspruch 4, das ein Gerät zur Erfassung oder Analyse einer bakteriellen Kontaminierung von Lebensmitteln oder ein Gerät zur Extraktion und Reinigung der DNA ist.
Reaktions-, Test- oder Analysegerät nach Anspruch 4 oder 5, das ferner eine Heizeinrichtung für die Reaktions- oder Testkammer und/oder die Speicherkammer(n) enthält.
Reaktions-, Test- oder Analysegerät nach Anspruch 6, in dem die Heizeinrichtung ein elektrisch leitendes Polymer umfaßt, welches mit Hilfe eines geregelten elektrischen Stroms erhitzt werden kann.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem das Kolbenelement angeordnet und für die aufeinanderfolgende Einführung in jede Speicherkammer, die ein zuzuführendes Reagens enthält, und zur Zurückziehung aus dieser steuerbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 8, in dem das Kolbenelement die Form einer massiven oder hohlen zylindrischen Stange oder Wand hat und die eine oder mehreren Reagensspeicherkammern in der Form von abgestützten zylindrischen Rohren vorliegen.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 9, in dem das Kolbenelement sowohl entlang einer im wesentlichen senkrechten Achse, als auch in einer im wesentlichen horizontalen Ebene bewegbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 10, in dem das Kolbenelement zur Unterbringung eines zurückziehbaren Magneten darin die Form einer Hohlstange aufweist.
Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 11, in dem das Kolbenelement in Form einer sich nach unten erstreckenden Stange ausbildet ist, die an einem oberen Verschlußdeckel angebracht ist, der das Zufuhrgerät vor dem Gebrauch verschließt, wobei der Deckel eine Einrichtung enthält, mit der er physisch mit der Regeleinrichtung des Kolbens in Eingriff kommen kann, wenn dieser nicht mehr mit dem Gerät im Eingriff ist.
Gerät nach Anspruch 12, in dem der Kolben am Deckel vom Zentrum entfernt montiert ist und der Deckel zum Eingriff mit der Regeleinrichtung des Kolbens ein karusselartiges Bauteil bildet, wodurch die horizontale Bewegung des Kolbens zwischen den symmetrisch angeordneten Reagenskammern durch die Drehung des Deckels bewirkt wird.
Wegwerfbare Reaktions- oder Testeinheit zum Gebrauch in einem Reagens-Zufuhrsystem nach Anspruch 1, wobei die Einheit umfaßt: – eine Reaktions- oder Testkammer und – eine oder mehrere Speicherkammern, die mit einem oder mehreren flüssigen Reagentien vorher gefüllt wurden, wobei die eine oder mehreren Speicherkammern geschlossene Böden aufweisen und zu öffnende abgedichtete Mundöffnungen, die über der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 14, in der die Reaktions- oder Testkammer und die eine oder mehreren Speicherkammern in einem geformten Kunststoffgehäuse enthalten sind.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 14 oder 15, in der die Reaktions- oder Testkammer und die eine oder mehreren Speicherkammern aus Polypropylen geformt sind.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 15, in der das Gehäuse eine obere Umfangswand aufweist, die die Mundöffnungen der Speicherkammer(n) kollektiv umgibt und sich nach oben hinter den Mundöffnungen erstreckt und als Ablenkfläche wirkt und das flüssige Reagens (die flüssigen Reagentien), die aus der/n Kammer(n) überfließen, in die darunterliegende Reaktions- oder Testkammer zu lenkt.
Reaktions- oder Testeinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 17, die ferner, unterhalb der Reaktions- oder Testkammer, eine Reagens-Hilfskammer aufweist, die eine vorher ausgegebene Menge eines flüssigen oder festen Hilfsreagens enthält, in das der Inhalt der Reaktions- oder Testkammer in einem erwünschten Stadium in einem Reaktions- oder Testverfahren zugeführt werden kann, wobei die Mundöffnung der Reagens-Hilfskammer vor dem Gebrauch mit ihrem eigenen Schutzdichtmittel abgedichtet ist, die den Boden der Reaktions- oder Testkammer vorgibt.
Reaktions- oder Testeinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 18, die mehrere Reagensspeicherkammern zur Zufuhr mehrerer entsprechender Reagentien umfaßt, wobei die Reagensspeicherkammern symmetrisch um den Umfang der Reaktions- oder Testkammer herum und im allgemeinen über derselben angeordnet sind.
Reaktions- oder Testeinheit nach einem der Ansprüche 14 bis 19, in der die Testkammer und/oder die Speicherkammer(n) ferner eine Heizeinrichtung aufweisen.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 20, in der die Heizeinrichtung ein elektrisch leitendes Polymer enthält.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 21, in der das elektrisch leitende Polymer mit der Testkammer und/oder der (den) Speicherkammer(n) in engem Kontakt ist.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 21, in der das elektrisch leitende Polymer in die Testkammer und/oder die Speicherkammer(n) integriert ist.
Reaktions- oder Testeinheit nach Anspruch 23, in der das elektrisch leitende Polymer auf einem Abschnitt der Testkammer und/oder Speicherkammer aufgeformt ist
Verfahren zur Durchführung einer chemischen oder biochemischen Reaktion oder einer Analyse, das die selektive Zufuhr eines oder mehrerer flüssigen Reagentien, die für die chemische oder biochemische Reaktion oder die Analyse benötigt werden, in eine Reaktions- oder Testkammer in einem Test- oder Analysegerät umfaßt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: – Liefern des einen oder der mehreren Reagentien in eine oder mehrere entsprechende Speicherkammern, die im allgemeinen über der Reaktions- oder Testkammer angeordnet sind, wobei die eine oder die mehreren Speicherkammern geschlossene Böden und zu öffnende oder offene Mundöffnungen aufweisen, und – Einführen eines Kolbenelements in die Mundöffnung einer ausgewählten Speicherkammer, wodurch ein ausgewähltes Reagens von dort durch den Schwerkraftüberfluß der Flüssigkeit von der Mundöffnung der Kammer in die, im allgemeinen darunter befindliche, Reaktions- oder Testkammer gelangt, und – Reagierenlassen des zugeführten Reagens (der Reagentien) mit dem Inhalt der Reaktions- oder Testkammer, so dass eine chemische oder biochemische Reaktion oder eine Analyse erfolgt.
Verwendung des Test- oder Analysegeräts in einer Reaktion, eines Kolbens, der in eine Speicherkammer einer Wegwerf-Einheit eingeführt ist, die ein flüssiges Reagens enthält, zur Verdrängung des Reagens, so dass es aus der Mundöffnung der Speicherkammer überfließt und unter dem Einfluß der Schwerkraft in eine Reaktions- oder Testkammer des Geräts fließt, die im allgemeinen unter der Speicherkammer angeordnet ist, wo es an einer Reaktion, einem Test oder einer Analyse beteiligt ist, wobei die Speicherkammer einen geschlossenen Boden und eine zu öffnende oder offene Mundöffnung aufweist.