DE102005048260A1 - A method and apparatus for handling a liquid sample using rotation with a time-varying rotary vector - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Handhaben einer flüssigen Probe umfasst das Einbringen der Probe in eine Kammer, in der eine Erfassungsstruktur angeordnet ist, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, und das Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialeffekte Konvektionsströme der Probe in der Kammer zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbeizuführen. Insbesondere eignet sich ein solches Verfahren zum Durchführen von Mikroarray-Experimenten.A method for handling a liquid sample comprises introducing the sample into a chamber, in which a detection structure is arranged, which enables detection of a property of the sample, and rotating the chamber with a time-varying rotation vector, which is a multiple acceleration and a multiple Braking has to generate convection currents of the sample in the chamber by hydrodynamic inertial effects in order to lead the sample past the detection structure. Such a method is particularly suitable for carrying out microarray experiments.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe unter Verwendung einer Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, die geeignet sind, um die Probe an einer Erfassungsstruktur, beispielsweise einem Mikroarray, vorbeizuführen.The The present application relates to a method and an apparatus to handle a liquid Sample using a rotation with a time-varying Rotation vector suitable for mounting the sample on a detection structure, For example, a microarray to pass.

Ein Mikroarray ist eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von unterschiedlichen, aber definierten „Fängerstrukturen", die auch als Reaktionspunkte bezeichnet werden können, in einem miniaturisierten Raster (beispielsweise 500 μm) auf einem zumeist ebenen Substrat. Die Fängerstrukturen können beispielsweise Fängermoleküle (im Englischen „probe molecules" oder „capture probes"), wie DNA, cDNA, Proteine, Antikörper, biologische Zellen oder ähnliches, sein. Ein „Mikroarray-basierter Test" erlaubt die Detektion der zu den Fängermolekülen komplementären Moleküle. Mikroarray-basierte Tests sind von großem wirtschaftlichem Interesse, beispielsweise bei der Gen-Expressionsanalyse, der SNP-Analytik (SNP = Single Nucleotide Polymorphism) oder für die personalisierte Medizin.One Microarray is a parallel arrangement of a plurality of different, but defined "catcher structures", which are also called reaction points can be in a miniaturized grid (for example, 500 microns) on a mostly flat substrate. The catcher structures can For example, catcher molecules (in English "sample molecules" or "capture probes "), like DNA, cDNA, proteins, antibodies, biological cells or the like, be. A "microarray-based Test "allows detection the molecules complementary to the capture molecules. Microarray-based tests are of great economic interest, for example in gene expression analysis, SNP analysis (SNP = Single nucleotide polymorphism) or for personalized medicine.

Ein „Mikroarray-basierter Test" besteht aus einer Prozedur mit mehreren Teilschritten. Zunächst wird ein definiertes Mikroarray, also das Substrat mit den immobilisierten Fängermolekülen, in Kontakt mit der zu untersuchenden Flüssigkeit gebracht, so dass die komplementären Moleküle mit den Fängermolekülen reagieren können. Die Reaktion kann viele Stunden dauern und ist von den charakteristischen Zeiten abhängig, die es dauert, bis die komplementären Moleküle zu den Fängermolekülen gelangt sind und dort reagiert haben, beispielsweise eine DNA hybridisiert haben.A "microarray-based Test "consists of one Procedure with several substeps. First, a defined microarray, So the substrate with the immobilized capture molecules, in contact with the examining liquid brought so that the complementary molecules react with the catcher molecules can. The reaction can take many hours and is of the characteristic times dependent, it takes until the complementary molecules have reached the catcher molecules and reacts there have hybridized, for example, a DNA.

Durch kontinuierliches „Umrühren" oder eine geeignete Fluidführung können die komplementären Moleküle den Fängermolekülen sehr schnell sehr nahe gebracht werden, so dass die Diffusionslängen stark verkürzt und somit die Zeitdauern für die Reaktion, beispielsweise die Hybridisierung, stark reduziert werden können. Nach der Reaktion der Moleküle mit dem Mikroarray erfolgen weitere Prozessschritte, wie beispielsweise das Waschen des Substrats und somit des Mikroarrays, d. h. das Entfernen von ungebundenen oder nicht spezifisch gebundenen Molekülen durch Austausch der zu untersuchenden Flüssigkeit durch einen definierten Puffer, oder das Zuführen von Reagenzien, beispielsweise fluoreszenzmarkierter Nachweisantikörper, zu dem Mikroarray.By continuous "stirring" or a suitable fluid guide can the complementary molecules very much catcher molecules be brought very close so that the diffusion lengths are strong shortened and thus the durations for the reaction, for example, the hybridization, greatly reduced can be. After the reaction of the molecules with the microarray further process steps, such as washing the substrate and thus the microarray, d. H. the removal of unbound or non-specifically bound molecules Exchange of the fluid to be examined by a defined Buffer, or feeding of reagents, for example fluorescently labeled detection antibody the microarray.

Gemäß dem Stand der Technik werden Mikroarrays beispielsweise prozessiert, indem die Probe und die relevanten Reagenzien manuell pipettiert werden. Bedingt durch die planare Oberfläche des Substrats, typischerweise von der Form eines Mikroskopie-Objektträgers, ist hier der Verbrauch an Probe und Reagenzien hoch. Außerdem ist das Überströmen der Mikroarray-Reaktionspunkte mit der zu untersuchenden Probe nicht kontrolliert. Aufgrund des nicht durchgängig geschlossenen Substrats kann es sehr schnell zu Eintrocknungseffekten an einzelnen Reaktionspunkten kommen, die das Ergebnis des Experiments negativ beeinflussen.According to the state In the art, for example, microarrays are processed by the sample and the relevant reagents are pipetted manually. Due to the planar surface of the substrate, typically in the form of a microscope slide here the consumption of sample and reagents high. Besides that is the overflow of the Microarray reaction points with the sample to be examined are not controlled. Due to the non-continuous closed substrate it can very quickly lead to drying effects at individual reaction points come that negatively affect the outcome of the experiment.

Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Mikroarrays in einer geschlossenen fluidischen Struktur zu prozessieren. Hierbei gibt es technische Lösungen beispielsweise durch eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern unter Ausnutzung von akustischen Oberflächenwellen (Engl. SAW = surface acoustic wave). Derartige Techniken wurden beispielsweise von der Firma Advalytix AG (www.advalytix.de) offenbart.Out the prior art, it is also known, microarrays in one process a closed fluidic structure. Here are it technical solutions For example, by a targeted mixing of the sample in reaction chambers using surface acoustic waves (Engl. SAW = surface acoustic wave). Such techniques have been used, for example, by the Company Advalytix AG (www.advalytix.de) discloses.

Eine alternative Technik bestand darin, eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern durch eine gekoppelte Rotationsbewegung um zwei Achsen durchzuführen. Eine solche Technik ist bei M.A. Bynum u.a., „Hybridization Enhancement using Microfluidic Planetary Centrifugal Mixing", Analytical Chemistry, Bd. 76, Nr. 23, 1. Dezember 2004, Seiten 7.039–7.044, beschrieben. Gemäß dieser Technik werden Proben auf Dichtungsobjektträger aufgebracht und mit einem Mikroarray abgedeckt, um eine Kammer zu bilden. Die Kammer wird dann in eine planetarische Zentrifuge eingesetzt. Die Zentrifuge dreht die Kammer um eine außerhalb der Kammer liegende Rotationsachse mit einer Drehgeschwindigkeit von 1.200 Umdrehungen pro Minute. Darüber hinaus wird die Kammer noch mit einer Rate von 10 Umdrehungen pro Minute um ihre eigene Achse gedreht.A alternative technique was a targeted mixing of the Sample in reaction chambers by a coupled rotational movement to perform two axes. Such a technique is available at M.A. Bynum et al., "Hybridization Enhancement using Microfluidic Planetary Centrifugal Mixing ", Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 23, December 1, 2004, pages 7,039-7,044. According to this technique Samples are applied to seal slides and with a Microarray covered to form a chamber. The chamber will then used in a planetary centrifuge. The centrifuge Turn the chamber around one outside the chamber axis of rotation at a rotational speed of 1,200 revolutions per minute. In addition, the chamber still at a rate of 10 revolutions per minute about its own axis turned.

Systeme, die eine druckgetriebene oder elektrisch getriebene Konvektion verwenden, sind bei Rinie van Beuningen et al., "Fast and specific hybridization using flowthrough microarrays on porous metal oxide", Clinical Chemistry, 47(10), S.1931–1933, 2001, und Vincent Benoit et al., "Evaluation of three-dimensional microchannel glass biochips for multiplexed nucleic acid fluorescence hybridization assays", Analytical Chemistry, 73(11), 5.2412–2420, 2001, beschrieben.systems, using a pressure-driven or electrically-driven convection, in Rinie van Beuningen et al., "Fast and specific hybridization using flowthrough microarrays on porous metal oxide ", Clinical Chemistry, 47 (10), p.1931-1933, 2001, and Vincent Benoit et al., "Evaluation of three-dimensional microchannel glass biochips for multiplexed nucleic acid fluorescence hybridization assays ", Analytical Chemistry, 73 (11), 5.2412-2420, 2001, described.

Eine chaotische Advektion ist bei Mark K. McQuain et al., "Chaotic mixer improves microarray hybridization", Analytical Biochemistry, 325(2), 5.215–226, 2004, beschrieben.A Chaotic advection is described in Mark K. McQuain et al microarray hybridization ", Analytical Biochemistry, 325 (2), 5.215-226, 2004.

Eine Probenoszillation unter Verwendung einer mikrofluidischen Hybridisierung und eines mäanderartigen Arraykanals ist bei Yingjie Liu und Cory B. Rauch, "DNA probe attachment on plastic surfaces and microfluidic hybridization array channel devices with sample oscillation", Analytical Biochemistry, 317(1), S.76–84, 2003 beschrieben.Sample oscillation using microfluidic hybridization and mäan Such array channel is described by Yingjie Liu and Cory B. Rauch, "DNA Probe Attachment on Plastic Surfaces and Microfluidic Hybridization Array Channel Devices with Sample Oscillation", Analytical Biochemistry, 317 (1), pp. 76-84, 2003.

Die Verwendung von Scherflüssen ist bei K. Pappaert et al., "Enhancement of DNA micro-array analysis using shear-driven micro-channel flow system", Journal of Chromatography A, 1014(1–2), S. 1–9, 2003; Johan Vanderhoeven et al., "Exploiting the benefits of miniaturization for the enhancement of DNA microarrays", 25(21–22), S.3677–3686, 2004, und Johan Vanderhoeven et al., "DNA microarray enhancement using a continuously and discontinuously rotating microchamber", Analytical Chemistry, 77(14), 5.4474–4480, 2005, beschrieben.The Use of shear flows in K. Pappaert et al., "Enhancement of DNA micro-array analysis using shear-driven micro-channel flow system ", Journal of Chromatography A, 1014 (1-2), Pp. 1-9, 2003; Johan Vanderhoeven et al., "Exploiting the benefits of miniaturization for the enhancement of DNA microarrays ", 25 (21-22), p.3677-3686, 2004, and Johan Vanderhoeven et al., "DNA microarray enhancement using a continuously and discontinuously rotating microchamber, "Analytical Chemistry, 77 (14), 5.4474-4480, 2005, described.

Hohlraum-induzierte Mikroströmungen sind bei Robin Hui Liu et al., "Hybridization enhancement using cavitation microstreaming", Analytical Chemistry, 75(8), 5.1911–1917, 2003, beschrieben.Cavity-induced micro trends Robin Hui Liu et al., "Hybridization enhancement using cavitation microstreaming ", Analytical Chemistry, 75 (8), 5.1911-1917, 2003, described.

Schließlich ist eine akustisch induzierte Konvektion bei Andreas Toegl et al., "Enhancing results of microarray hybridizations through microagitation", Journal of Biomolecular Techniques, 14(3), 5.197–204, 2003, Achim Wixforth, "Flat fluidics: Acoustically driven planar microfluidic devices for biological and chemical applications", in Proceedings of the 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators & Microsystems (Transducers'05), June 5–9, Seoul, Korea, S. 143–146. IEEE, 2005, beschrieben.Finally, acoustically-induced convection is described by Andreas Toegl et al., "Enhancing results of microarray hybridizations through microagitation", Journal of Biomolecular Techniques, 14 (3), pp. 1957-204, Achim Wixforth, "Flat fluidics: Acoustically driven planar microfluidic devices for biological and chemical applications ", in Proceedings of the 13 th International Conference on Solid-State sensors, Actuators and Microsystems (Transducers'05), June 5-9, Seoul, Korea, pp 143-146. IEEE, 2005.

M. Grumann u. a., „Batch-Mode mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, Seiten 560–565, offenbaren ein Mischen von Flüssigkeiten in einer Mischkammer, in dem die Mischkammer einer Rotation mit sich periodisch änderndem Drehsinn unterworfen wird.M. Grumann u. a., "Batch Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms ", Lab Chip, 2005, 5, pp. 560-565 a mixing of liquids in a mixing chamber in which the mixing chamber is in rotation with changing periodically Is subjected to rotation.

Nachteilig am bekannten Stand der Technik zum Prozessieren von Mikroarrays sind die notwendigerweise aktiven und komplexen Systeme zur Anregung und Steuerung, um eine gezielte Durchmischung der Probe in Reaktionskammern zu erreichen. Außerdem erfordern einige der alternativen Systeme, beispielsweise gepumpte Systeme, Zu- und Abläufe, deren zusätzliche Totvolumina sich negativ auf die Sensitivität der Arrays auswirken.adversely in the known state of the art for processing microarrays are the necessarily active and complex systems for excitation and control to a targeted mixing of the sample in reaction chambers to reach. Furthermore require some of the alternative systems, for example, pumped Systems, inflows and outflows, their additional Dead volumes negatively impact the sensitivity of the arrays.

Die minimalen lateralen Abmessungen der Erfassungsstruktur sind durch die lateralen Abmessungen des 2-dimensionalen Mikroarrays (typischerweise im Bereich eines Quadratzentimeters) durch den Herstellungsprozess vorgegeben. Gleichzeitig soll das Totvolumen der Kammer minimiert werden soll. Technisch gesehen geht es also während der Prozessführung hauptsächlich um das Problem, in einer breiten und möglichst flachen Kammer (im Fall der vorliegenden Erfindung Aspektverhältnisse von weit unter 1:10) mit Volumina im Mikroliterbereich eine flüssige Probe an einer Erfassungsstruktur vorbei zu führen.The minimal lateral dimensions of the detection structure are through the lateral dimensions of the 2-dimensional microarray (typically in the range of one square centimeter) through the manufacturing process specified. At the same time, the dead volume of the chamber should be minimized shall be. From a technical point of view, this is mainly about the litigation the problem, in a wide and as shallow chamber (im Case of the present invention aspect ratios of well below 1:10) with volumes in the microliter range a liquid sample on a detection structure to pass by.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben einer flüssigen Probe zu schaffen, die es bei einem einfachen Aufbau ermöglichen, einen erhöhten Anteil einer in einer Probenkammer angeordneten Probe an einer Erfassungsstruktur vorbei zu führen.The The object underlying the present invention is that an apparatus and method for handling a liquid sample create, which allow it with a simple structure, an increased proportion a sample arranged in a sample chamber at a detection structure to pass by.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst.These The object is achieved by a method according to claim 1 and a device solved according to claim 13.

Die vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum Handhaben einer flüssigen Probe mit folgenden Schritten:
Einbringen der Probe in eine Kammer, in der eine Erfassungsstruktur, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, angeordnet ist, und
Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen, um durch hydrodynamische Inertialeffekte Konvektionsströme der Probe in der Kammer zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbei zu führen.
The present invention provides a method for handling a liquid sample comprising the steps of:
Introducing the sample into a chamber in which a detection structure enabling detection of a property of the sample is arranged, and
Rotating the chamber with a time-varying rotational vector, the multiple acceleration and a multiple deceleration, to generate convection currents of the sample in the chamber by hydrodynamic inertial effects, to lead the sample past the detection structure.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe, mit folgenden Merkmalen:
einer Kammer, in der eine Erfassungsstruktur, die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, angeordnet ist;
einer Antriebseinrichtung, die konfiguriert ist, um die Kammer einer Rotation zu unterwerfen; und
einer Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, um die Antriebseinrichtung zu steuern, um die Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor zu rotieren, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialkräfte Konvektionsströme einer in der Kammer befindlichen Probe zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur vorbei zu führen.
The present invention further provides an apparatus for handling a liquid sample, comprising:
a chamber in which a detection structure enabling detection of a property of the sample is arranged;
a drive device configured to subject the chamber to rotation; and
a controller configured to control the drive means to rotate the chamber with a time-varying rotary vector having multiple accelerations and multiple decelerations to generate convection currents of a sample within the chamber by hydrodynamic inertial forces Pass the sample past the detection structure.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erzeugte Konvektionsströme vorteilhaft ausgenutzt werden können, um einen großen Anteil einer in einer Probenkammer angeordneten Probe an einer Erfassungsstruktur vorbei zu führen, bzw. um die Teile einer Probe, der die Erfassungsstruktur ausgesetzt ist, auf einfache und schnelle Weise zu ändern.The The present invention is based on the recognition that by a Rotation with a time-varying Rotation vector produced convection currents are advantageously exploited can, a big one Proportion of a sample arranged in a sample chamber at a detection structure to pass by or around the parts of a sample exposed to the detection structure is to change in an easy and fast way.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Beschleunigungsphasen durch mehrere Intervalle mit ruhender oder konstant drehender Kammer unterbrochen werden, was vorteilhaft für zu bewirkende Reaktionen sein kann.at embodiments of the invention the acceleration phases through several intervals with dormant or constantly rotating chamber are interrupted, which is advantageous for to be effected Reactions can be.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Erfassungsstruktur durch ein Mikroarray, d. h. eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von unterschiedlichen, aber definierten Fängerstrukturen bzw. Fängermolekülen, die auf einem Träger immobilisiert sind, gebildet.at preferred embodiments According to the invention, the detection structure is represented by a microarray, i. H. a parallel arrangement of a plurality of different, but defined catcher structures or catcher molecules that on a carrier are immobilized, formed.

Diesbezüglich eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Prozessierung von Mikroarrays, wobei ein quasi instantanes aktives Hinführen von Probe und Reagenzien an die Reaktanden in den Mikroarray-Punkten durch das Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, was als Schüttelmodus bezeichnet werden kann, stattfindet. Ferner erfolgt dadurch ein schnelles Entfernen nichtgebundener Reaktionspartner von den Mikroarray-Punkten, d.h. den einzelnen Fängerstrukturen bzw. Fängermolekülen.In this regard is suitable the present invention in particular for the processing of Microarrays, with a quasi-instantaneous active introduction of Sample and reagents to the reactants in the microarray points by rotating the chamber with a time-varying Rotary vector, which as a shaking mode can be designated takes place. Furthermore, this is done by a quickly removing unbound reactants from the microarray points, i.e. the individual catcher structures or catcher molecules.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bilden ein Mikroarray-Körper und ein Deckel gemeinsam eine Reaktionskammer, wobei durch alternierende Drehbewegungen in der Reaktionskammer eine Konvektion in der Kammer herbeigeführt wird, welche die Durchmischung (zwischen Probe und Mikroarray) in einem Mikroarray-Experiment beschleunigt. Somit kann aufgrund einer erzwungenen Konvektion einer in einer Reaktionskammer angeordneten Probe die Zeit beispielsweise für eine DNA-Hybridisierung reduziert werden.at preferred embodiments of the present invention form a microarray body and a lid together a reaction chamber, whereby by alternating Rotational movements in the reaction chamber convection in the chamber is brought about, which the mixing (between sample and microarray) in one Microarray experiment accelerated. Thus, due to a forced convection of a in a reaction chamber arranged sample the time, for example for one DNA hybridization be reduced.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Reaktionskammer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein.at preferred embodiments can the reaction chamber completely with liquid filled be.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Kammer in einem Körper gebildet sein, wobei der Körper ein Substrat und einen Deckelchip aufweist. Ein oder mehrere derartige Körper können in einen Rotor eingesetzt werden, der über einen Drehmotor in Rotation versetzbar ist. Die Erfassungsstruktur, beispielsweise das Mikroarray, kann auf dem Substrat immobilisiert sein, während im Deckelchip eine Kanalstruktur mit Einlassbereich, Reaktionskavität und Auslassbereich strukturiert ist. Alternativ kann die Erfassungsstruktur an dem Teil des Körpers, beispielsweise dem Deckel, immobilisiert sein, in dem die Kanalstrukturen gebildet sind, während der Deckel ein planares Bauglied sein kann. Die Kanalstruktur kann einen oder mehrere Einlassbereiche, eine oder mehrere Probenkammern, beispielsweise Reaktionskammern, und einen oder mehrere Auslassbereiche aufweisen.at embodiments According to the present invention, the chamber may be formed in a body, being the body a substrate and a cover chip has. One or more such Body can in a rotor can be used, which via a rotary motor in rotation is displaceable. The detection structure, for example the microarray, may be immobilized on the substrate while in the lid chip has a channel structure structured with inlet area, reaction cavity and outlet area is. Alternatively, the detection structure on the part of the body, for example the lid, be immobilized, in which the channel structures formed are while the lid can be a planar member. The channel structure can one or more inlet regions, one or more sample chambers, For example, reaction chambers, and one or more outlet areas exhibit.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Körper selbst als Rotationskörper, beispielsweise eine Scheibe, ausgebildet sein, der um eine Rotationsachse drehbar ist. Ein solcher Rotationskörper kann ebenfalls aus Substrat und Deckelchip gebildet sein und eine zur Implementierung der vorliegenden Erfindung erforderliche Kanalstruktur oder zur Parallelisierung eine Mehrzahl entsprechender Kanalstrukturen, die sternförmig auf der Scheibe angeordnet sind, aufweisen.at embodiments According to the present invention, the body itself as a body of revolution, for example a disc, be formed, which is rotatable about an axis of rotation is. Such a rotary body can also be formed of substrate and cover chip and a Channel structure required to implement the present invention or for parallelization a plurality of corresponding channel structures, the star-shaped are arranged on the disc.

Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Kanalstruktur einen Auslasskanal aufweisen, der mit der Kammer fluidisch verbunden ist und eine Siphonstruktur aufweist, die in einem gegebenen zentrifugalen Kraftfeld zu einer definierten Füllhöhe der flüssigen Probe in der Kammer führt. Dadurch ist es möglich, insbesondere bei Verfahren, bei denen nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten einer Erfassungsstruktur zugeführt werden sollen, ein Austrocknen der Erfassungsstruktur sicher zu vermeiden.According to embodiments According to the present invention, the channel structure may have an outlet channel which is fluidically connected to the chamber and a siphon structure which in a given centrifugal force field to a defined filling level of the liquid sample leads in the chamber. This makes it possible especially in processes where successively different liquids be supplied to a detection structure are intended to avoid drying out the collection structure safely.

Unter einer Siphon-Struktur ist im Allgemeinen eine dem Schwerefeld, im Fall der vorliegenden Erfindung dem Zentrifugalfeld, ausgesetzte Struktur zu verstehen, welche ein Reservoir und einen Verbindungskanal umfasst, dessen eines Ende an das Reservoir angeschlossen ist und dessen anderes Ende einen Auslass aufweist. Das System ist mit einer Flüssigkeit zumindest partiell gefüllt.Under a siphon structure is generally a gravitational field, in the Case of the present invention, the centrifugal field, exposed Structure to understand which a reservoir and a connecting channel comprising one end connected to the reservoir and the other end has an outlet. The system is with a liquid at least partially filled.

Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren strebt das System nun einen hydrostatischen Gleichgewichtszustand an, bei welchem alle Menisken die gleiche Position in Richtung des Kraftfeldes einnehmen. Ist der Auslasskanal so ausge bildet, dass er sich nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren vollständig mit Flüssigkeit befüllt, fließt, wenn die Position des Auslasses unter dem Flüssigkeitspegel im hydrostatischen Gleichgewicht liegt, solange Flüssigkeit aus dem Auslass, bis der Flüssigkeitspegel im Reservoir auf der Höhe des Auslasses liegt. In der Sanitärtechnik wirkt die durchgehende Flüssigkeitssäule des Verbindungskanals als Geruchsstopp, welcher auch durch das Nachspülen geruchsdicht bleibt.To The system now strives for the principle of communicating tubes a hydrostatic equilibrium state, in which all Menisci take the same position in the direction of the force field. If the exhaust duct is designed so that it follows the principle the communicating tubes Completely with liquid filled, flows, if the position of the outlet below the liquid level in the hydrostatic Balance is as long as liquid from the outlet until the liquid level in the reservoir at the height the outlet is located. In sanitary engineering, the continuous liquid column of the Connection channel as odor stop, which is odor-proof even after rinsing remains.

Sobald der Verbindungskanal vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, kann der Flüssigkeitspegel auch unabhängig vom Verlauf dieses Verbindungskanals allein durch die Höhe seines Auslasses eingestellt werden. Durch Absenken des Auslasses unterhalb des Reservoirbodens wird das Reservoir solange entleert, wie die kontinuierliche Flüssigkeitssäule nicht unterbrochen wird. Befindet sich der Anschluss des Verbindungskanals beispielsweise am Boden des Reservoirs, so wird das Reservoir vollständig entleert.As soon as the connection channel completely with liquid filled is, the liquid level can also independently of the course of this connecting channel solely by the height of his Outlet be adjusted. By lowering the outlet below of the reservoir bottom, the reservoir is emptied as long as the continuous liquid column not is interrupted. Is the connection of the connection channel for example, at the bottom of the reservoir, the reservoir is completely emptied.

Die vollständige Befüllung des Siphons kann entweder nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren durch Zuschütten in das Reservoir erfolgen, bis der gemeinsame Flüssigkeitspegel im hydrostatischen Gleichgewichtszustand oberhalb des höchsten Punktes des Verbindungskanals liegt, und/oder durch die kapillar getriebene Befüllung des Kanals.The full filling The siphon can either by the principle of communicating tubes through fill up into the reservoir until the common liquid level in the hydrostatic Equilibrium state above the highest point of the connection channel lies, and / or by the capillary driven filling of Channel.

Als Siphon-Effekt soll hier allgemein die Regelung des Füllstandes in einem Reservoir durch den Verlauf und die Position des Verbindungskanals nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren aufgefasst werden.When Siphon effect is here generally the regulation of the level in a reservoir through the course and the position of the connection channel be understood on the principle of communicating tubes.

Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Erfassungsstruktur eine Sensorstruktur aufweisen, die ein oder mehrere Sensorbereiche umfasst, die auf eine im Bereich derselben befindliche Probe ansprechen, um Rückschlüsse auf Eigenschaften bzw. Bestandteile der Proben zu ermöglichen. Beispiele für solche Sensorstrukturen sind Sauerstoff-Sensoren, CO2-Sensoren oder Biosensoren, die Biomoleküle verwenden, um Eigenschaften einer Probe nachzuweisen.In alternative embodiments of the invention, the detection structure may comprise a sensor structure comprising one or more sensor regions responsive to a sample located in the region thereof to enable conclusions to be drawn about properties of the samples. Examples of such sensor structures are oxygen sensors, CO 2 sensors or biosensors that use biomolecules to detect properties of a sample.

Die Kanalstrukturen sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das Zusammenspiel aus Zentrifugalkraft und Kapillarkraft mit synchronisierter Probenzugabe und Reagenzienzugabe beispielsweise eine vollständige Prozessierung eines Mikroarray-Experiments ermöglicht. Dabei kann eine Siphon-Struktur im zentrifugalen Kraftfeld einen durch den Zeitverlauf der Drehfrequenz und die zu bestimmten Zeitpunkten zugegebenen Flüssigkeitsvolumina definierten Verlauf der Füllhöhe erzeugen, worüber sich die Reaktionsbedingungen in der Reaktionskammer präzise kontrollieren lassen. Insbesondere kann bei der Durchführung eines Mikroarray-Experiments die Siphon-Struktur bewirken, dass der Reaktionsraum stets zumindest so weit mit Flüssigkeit gefüllt ist, dass das Mikroarray von dieser bedeckt ist, wenn nacheinander die Probe, eine Waschflüssigkeit und Reagenzien in den Reaktionsraum zugeführt werden. Somit kann das Mikroarray unter durchgängig kontrollierbaren fluidischen Bedingungen prozessiert werden, da im zentrifugalen Kraftfeld der Siphon-Kanal die Füllhöhe in der Reaktionskammer festlegt.The Channel structures are preferably designed such that the Interplay of centrifugal force and capillary force with synchronized Sample addition and reagent addition, for example, a complete processing of a microarray experiment. This can be a siphon structure in the centrifugal force field one by the time course of the rotation frequency and defined the liquid volumes added at certain times Make the course of the filling height, what about precisely control the reaction conditions in the reaction chamber to let. In particular, when performing a microarray experiment the siphon structure cause the reaction space always at least so far with liquid filled is that the microarray is covered by this, if one after the other the sample, a washing liquid and reagents are fed into the reaction space. Thus, that can Microarray under throughout be processed controllable fluidic conditions, since in the centrifugal force field of the siphon channel determines the filling level in the reaction chamber.

Die vorliegende Erfindung besteht gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen somit in einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Prozessieren von Mikroarrays auf einem vorzugsweise planaren Substrat, wobei die Erfindung die Integration der im Folgenden beispielhaft beschriebenen, typischen Schritte eines mikroarray-basierten Experiments ermöglicht. Diese Schritte umfassen die Probenzugabe in eine Reaktionskammer und das Blockieren derselben, das gegebenenfalls mehrfache Waschen der Reaktionskammer und damit des Mikroarrays, den Nachweis, d. h. das Färben, des Mikroarrays und ein folgendes, wiederum gegebenenfalls mehrfaches Waschen des Mikroarrays. Auch das Auslesen des Mikroarrays, das auf jede beliebige herkömmliche Weise erfolgen kann, könnte integriert werden.The The present invention is in accordance with preferred embodiments thus in an apparatus and method for processing Microarrays on a preferably planar substrate, wherein the Invention, the integration of the example described below, typical steps of a microarray-based experiment allows. These steps involve adding the sample to a reaction chamber and blocking them, optionally washing several times the reaction chamber and thus the microarray, the detection, d. H. dyeing, of the microarray and a following, again optionally multiple washing of the microarray. Also reading the microarray on each any conventional manner could be done to get integrated.

Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine nahezu vollständige Integration aller notwendigen Schritte zum Prozessieren eines mikroarray-basierten Experiments, wobei die Reduktion der manuellen Arbeitsschritte auch dabei hilft, die Reproduzierbarkeit von mikroarray-basierten Experimenten zu erhöhen. Der Körper, in dem die fluidischen Strukturen gebildet sind, der vorzugsweise aus einem Substrat und einem Deckel besteht, lässt sich einfach und kostengünstig herstellen und kann deshalb als Einwegartikel eingesetzt werden.Consequently allows the present invention provides a nearly complete integration of all necessary Steps to process a microarray-based experiment, whereby the reduction of manual work also helps the reproducibility of microarray-based experiments too increase. The body, in which the fluidic structures are formed, preferably consists of a substrate and a lid, can be produced easily and inexpensively and can therefore be used as a disposable article.

Bei einem Pilot-Experiment hatte die Reaktionskammer ein Volumen von ca. 50 μL, wobei das Gesamtvolumen bestehend aus Probe, Reagenzien und Puffern bei dem durchgeführten Experiment bei lediglich 500 μL lag. Dies stellt generell eine erhebliche Reduktion des Verbrauchs der zum Teil sehr teueren Flüssigkeiten dar. Diese Volumina sind im Gegensatz zu Experimenten, die an einer freien, also nicht durch eine Kammer eingegrenzten Mikroarrayoberfläche durchgeführt werden, sehr gering und ließen sich durch eine gezielte Optimierung der Kammerform noch erheblich reduzieren.at In a pilot experiment, the reaction chamber had a volume of about 50 μL, the total volume consisting of sample, reagents and buffers at the performed Experiment at only 500 μL was. This generally represents a significant reduction in consumption the sometimes very expensive fluids These volumes are in contrast to experiments that at one free, ie not limited by a chamber microarray surface are performed very small and left through a targeted optimization of the chamber shape even more to reduce.

Bedingt durch die optimierten hydrodynamischen Bedingungen, die durch die Anwendung der Rotation mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erreicht werden kann und die alternativ oder unterstützend durch eine mäanderförmige Reaktionskammer erreicht werden können, ließ sich bei dem Pilot-Experiment die Prozesszeit auf 45 Minuten senken. Dabei entfällt der weitaus größte Teil dieser Zeit auf die Reaktion/Inkubation zwischen der anfänglich eingebrachten Probe mit der Erfassungsstruktur, während ein Waschschritte in weniger als einer Minute beendet ist. Generell ist eine weitere, drastische Beschleunigung der Prozesszeit und auch eine erhebliche Reduzierung des Kammervolumens über dem Mikroarray denkbar.conditioned through the optimized hydrodynamic conditions created by the Application of rotation achieved with a time-varying rotation vector can be and the alternative or supportive by a meandering reaction chamber can be achieved let himself go reduce the process time to 45 minutes in the pilot experiment. It is omitted by far the largest part This time on the reaction / incubation between the initially introduced Sample with the detection structure while washing in less than a minute has ended. In general, another, Drastic acceleration of the process time and also a significant Reduction of the chamber volume above the Microarray conceivable.

Die erfindungsgemäß verwendbare geschlossene Reaktionskammer ermöglicht im Vergleich zu einem nicht gedeckelten Substrat, dass das mikroarray-basierte Experiment permanent in einer kontrollierten Umgebung abläuft, was insbesondere verhindern kann, dass die Mikroarray-Spots austrocknen. Insbesondere ermöglicht das „Umrühren" in dem Reaktionsraum durch das Rotieren mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor eine verkürzte Prozessdauer, während die fluidische „Siphon-Struktur" eine kontrollierte Umgebung liefert.The usable according to the invention closed reaction chamber allows compared to a non-capped substrate that microarray-based Experiment permanently in a controlled environment, which runs In particular, it can prevent the microarray spots from drying out. In particular, allows the "stirring" in the reaction space by rotating with a time-varying rotary vector one shortened process duration, while the fluidic "siphon structure" a controlled Environment supplies.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed drawings closer explained. Show it:

1 und 2 schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei 2 schematisch eine Querschnittansicht entlang der Linie X-X von 1 darstellt. 1 and 2 schematically a plan view and a cross-sectional view of an embodiment of a device according to the invention, wherein 2 schematically a cross-sectional view along the line XX of 1 represents.

3 bis 5 schematische Ausführungsbeispiele von Kanalstrukturen von Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 3 to 5 schematic embodiments of channel structures of embodiments of a device according to the invention;

6a und 6b schematische Querschnittansichten zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; 6a and 6b schematic cross-sectional views for illustrating an embodiment of the method according to the invention;

7 die Ergebnisse eines unter Verwendung der Erfindung durchgeführten Experiments; 7 the results of an experiment carried out using the invention;

8 Beispiele für zeitlich veränderliche Drehvektoren, die erfindungsgemäß verwendet werden können; 8th Examples of temporally variable rotation vectors that can be used according to the invention;

9 ein beispielhaftes Frequenzprotokoll zur Durchführung eines Mikroarray-Experiments und der dabei auftretenden Füllstandshöhe in der Kammer. 9 an exemplary frequency protocol for performing a microarray experiment and the resulting level height in the chamber.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun zunächst anhand der 1 und 2 erläutert.An embodiment of the device according to the invention will now be first on the basis of 1 and 2 explained.

Die Vorrichtung umfasst einen Rotor 10, der mit einer Welle 12 verbunden ist, die durch einen Drehmotor 14 antreibbar ist. Der Rotor 10 kann auf beliebige Weise beispielsweise auf einem Stufenabschnitt der Welle 12 angebracht sein. Der Drehmotor 14 ist mit einer Steuerung 16 versehen, die ausgelegt ist, um den Rotor auf die erforderliche Weise in Rotation zu versetzen.The device comprises a rotor 10 that with a wave 12 connected by a rotary motor 14 is drivable. The rotor 10 can in any way, for example on a step portion of the shaft 12 to be appropriate. The rotary motor 14 is with a controller 16 which is designed to set the rotor in the required manner in rotation.

Der Rotor umfasst vier Aufnahmebereiche 20 zum Aufnehmen von erfindungsgemäßen Fluidstrukturen enthaltenden Module 22. Die Module bestehen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Substrat 24 und einem Deckel 26, wobei Fluidstrukturen in dem Substrat 24 gebildet sind. Die Fluidstrukturen umfassen, wie in 1 gezeigt ist und später Bezug nehmend auf 3 näher erläutert wird, eine Reaktionskammer 30, einen Auslasskanal 32 mit einer zentrifugalen Siphon-Struktur 32, einen Abfallreservoirbereich 34 sowie zwei Einlasskanäle 36 und 38. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fluidstrukturen in dem Substrat 24 strukturiert. Alternativ könnten die Fluidstrukturen auch in dem Deckel oder in Deckel und Substrat strukturiert sein. Durch die Kombination von Substrat und Deckel entsteht eine Anordnung, die einen Reaktionsraum und Kanalsysteme für die Zu- und Abfuhr von Proben bzw. Analyten, Reagenzien und/oder Waschflüssigkeiten zu der Reaktionskammer enthält.The rotor has four receiving areas 20 for receiving modules according to the invention containing fluid structures 22 , The modules consist in the embodiment shown of a substrate 24 and a lid 26 wherein fluid structures in the substrate 24 are formed. The fluid structures comprise, as in FIG 1 is shown and later referenced 3 is explained in more detail, a reaction chamber 30 , an outlet channel 32 with a centrifugal siphon structure 32 , a waste reservoir area 34 as well as two inlet channels 36 and 38 , In the embodiment shown, the fluid structures are in the substrate 24 structured. Alternatively, the fluid structures could also be structured in the lid or in the lid and substrate. The combination of substrate and lid creates an arrangement which contains a reaction space and channel systems for the supply and removal of samples or analytes, reagents and / or washing liquids to the reaction chamber.

Durch die Steuereinrichtung 16 wird der Drehmotor 14 derart gesteuert, dass der Rotor, und somit die Module 22, mit einer Rotation beaufschlagt werden, um die erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.By the control device 16 becomes the rotary motor 14 controlled such that the rotor, and thus the modules 22 , are subjected to a rotation in order to carry out the method according to the invention.

Beispielhafte Kanalstrukturen werden nun Bezug nehmend auf die 3 und 4 beschrieben. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die fluidischen Strukturen bzw. Kanalstruk turen dabei gebildet, indem ein planares Substrat verwendet ist, auf dem das Mikroarray immobilisiert ist, während ein Deckelchip strukturiert ist, um die fluidischen Strukturen zu realisieren.Exemplary channel structures will now be described with reference to FIGS 3 and 4 described. In preferred embodiments, the fluidic structures or channel structures are thereby formed by using a planar substrate on which the microarray is immobilized, while a lid chip is structured in order to realize the fluidic structures.

Bei dem in 3 gezeigten Beispiel umfassen die Fluidikstrukturen einen Einlassbereich 40 für eine Probe bzw. einen Analyt und einen Einlassbereich 42 für Reagenzien. Der Einlassbereich 40 ist über einen Einlasskanal 44 mit einer Reaktionskammer 46 verbunden, während der Einlassbereich 42 über einen Einlasskanal 48 mit der Reaktionskammer 46 verbunden ist. Die Einlasskanäle 44 und 48 sind bezüglich eines zentrifugalen Kraftfeldes (siehe Pfeil Fν in 3) radial innen an die Reaktionskammer 46 angeschlossen. Radial außen ist an die Reaktionskammer ein Auslasskanal 50 angeschlossen, der in diesem Anwendungsbeispiel eine derartige Siphonstruktur 52 aufweist, die zunächst aus einem in Richtung des zentrifugalen Kraftfeldes radial nach außen verlaufenden Kanalabschnitt 52a, dann einem gegen das Kraftfeld radial nach innen verlaufenden Kanalabschnitt 52b und dann wiederum aus einem mit dem Kraftfeld radial nach außen verlaufenden Kanalabschnitt 52c gebildet ist. Die radiale Position des Auslasses der Kanalstruktur liegt unterhalb des Bodens der Reaktionskammer 46, also Δr < 0. Eine Entlüftung 54 ist für die Siphonstruktur vorgesehen. Die Entlüftung 54 kann gegebenenfalls komplett oder abschnittsweise hydrophobisiert werden. Der Auslasskanal 50 mündet in ein Abfallreservoir 56. Die Entlüftung 54 ist im Abfallreservoir 56 vorgesehen. Am Ende des Auslasskanals 50 kann optional ein hydrophobisierter Abschnitt 57 vorgesehen sein.At the in 3 In the example shown, the fluidic structures comprise an inlet area 40 for a sample or an analyte and an inlet area 42 for reagents. The inlet area 40 is via an inlet channel 44 with a reaction chamber 46 connected while the inlet area 42 via an inlet channel 48 with the reaction chamber 46 connected is. The inlet channels 44 and 48 are with respect to a centrifugal force field (see arrow F ν in 3 ) radially inward to the reaction chamber 46 connected. Radially outward is an outlet channel to the reaction chamber 50 connected, in this application example, such a siphon structure 52 which initially comprises a channel section extending radially outward in the direction of the centrifugal force field 52a , Then a against the force field radially inwardly extending channel section 52b and then again from a channel section extending radially outward with the force field 52c is formed. The radial position of the outlet of the channel structure is below the bottom of the reaction chamber 46 , ie Δr <0. A vent 54 is intended for the siphon structure. The vent 54 can optionally be hydrophobized completely or in sections. The outlet channel 50 flows into a waste reservoir 56 , The vent 54 is in the waste reservoir 56 intended. At the end of the exhaust duct 50 Optionally, a hydrophobized section 57 be provided.

Die Siphon-Struktur 52 ist ausgelegt, um bei einem gegebenen zentrifugalen Kraftfeld, das an einem bestimmten Punkt durch die Rotationsgeschwindigkeit, die radiale Position sowie die Dichte der verwendeten Flüssigkeiten festgelegt ist, bei der anfänglichen Befüllung einen definierten Flüssigkeitspegel in der Reaktionskammer 46 zu erzeugen.The siphon structure 52 is designed to maintain a defined liquid level in the reaction chamber at a given centrifugal force field set at a particular point by the rotational speed, radial position, and density of the fluids used upon initial charging 46 to create.

Vorzugsweise ist die Struktur derart ausgelegt, dass die Reaktionskammer 46 in dieser Phase vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist.Preferably, the structure is designed such that the reaction chamber 46 completely filled with liquid at this stage.

Die Einlassbereiche 40 und 42 weisen Einlassbereichsöffnungen 40a und 42a auf. Beim Befüllvorgang der beiden Einlässe dient der jeweils inaktive Kanal als Entlüftung. In 4 ist eine alternative Struktur gezeigt, bei der alle Flüssigkeiten durch einen einzigen Kanal 84 zugeführt werden, was aber die Entlüftung erschwert. Der Kanal 84 ist an seinem radial inneren Ende mit einem Einlassbereich 82 verbunden, der eine Einlassbereichsöffnung 82a aufweist, und an seinem radial äußeren Ende mit einer Kammer 80 verbunden.The inlet areas 40 and 42 have inlet area openings 40a and 42a on. When filling the two inlets, each inactive channel serves as a vent. In 4 An alternative structure is shown where all the fluids pass through a single channel 84 be fed, but this makes the vent difficult. The channel 84 is at its radially inner end with an inlet area 82 connected to an inlet area opening 82a and at its radially outer end with a chamber 80 connected.

In den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 entspricht die Koordinate Δr der radialen Höhendifferenz relativ zu Auslass der Kammer, in der eine Erfassungsstruktur 60, beispielsweise eine Mikroarray, vorgesehen ist. Wird nun die zu Anfang leere Kammer mit der Erfassungsstruktur mit einem Volumen gefüllt, sodass der Flüssigkeitspegel im Gleichgewichtszustand des Zentrifugalfeldes unterhalb von der radial innersten Position des Siphon-Kanals liegt, so bleibt dieser Flüssigkeitspegel konstant bei Δr > 0, unabhängig von der Drehfrequenz. In dieser Phase wird in diesem Ausführungsbeispiel die Probe mit dem Mikroarray im Schüttelmodus inkubiert. Ist der Siphon-Kanal hingegen vollständig bis zu seinem Auslass mit Flüssigkeit gefüllt, so läuft die Flüssigkeit aus der Kammer während der Zentrifugation kontinuierlich in den Ablauf. Eine solche Befüllung kann beispielsweise durch die Kapillarkraft bei kleinen Drehzahlen oder bei ruhender Struktur erfolgen, oder durch Zugabe eines Flüssigkeitsvolumens, welches (temporär) einen Gleichgewichts-Flüssigkeitspegel oberhalb von dem radial innersten Punkt des Siphonkanals rmax erzwingt.In the embodiments of 3 and 4 Corresponds to the coordinate .DELTA.r of the radial height difference relative to the outlet of the chamber in which a detection structure 60 , For example, a microarray is provided. If the initially empty chamber with the detection structure is filled with a volume such that the liquid level in the equilibrium state of the centrifugal field is below the radially innermost position of the siphon channel, this liquid level remains constant at Δr> 0, regardless of the rotational frequency. In this phase, the sample is incubated with the microarray in the shaking mode in this embodiment. On the other hand, if the siphon channel is completely filled with fluid up to its outlet, the fluid from the chamber will continuously flow into the outlet during centrifugation. Such filling can take place for example by the capillary force at low speeds or at rest structure, or by adding a volume of liquid that forces an equilibrium liquid level above the radially innermost point of the Siphonkanals r max (temporary).

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Kanalstrukturen in dem Deckelchip gebildet, wobei der Deckelchip derart mit einem Mikroarray-Substrat zusammengeführt wird, dass in der Reaktionskammer das Mikroarray 60 angeordnet ist. Die Wände der Kanalstrukturen weisen vorzugsweise hydrophile Eigenschaften auf. Der Einlassbereich 40 und der Einlasskanal 44 dienen dazu, Probenflüssigkeit durch Zentrifugalkraft auf der rotierenden Anordnung dem Reaktionsraum 46 zuzuführen. Der Einlassbereich 42 und der Einlasskanal 48 dienen dazu, Reagenzien durch die Zentrifugalkraft auf der rotierenden Anordnung dem Reaktionsraum 46 zuzuführen. Der Auslasskanal 50 dient dazu, die zuerst zugeführte Probe bei beliebig hohen Drehzahlen und während des Schüttelmodus in der Kammer zu belassen und so einen konstanten Flüssigkeitspegel in der Reaktionskammer 46 einzustellen. Vorzugsweise ist die Reaktionskammer 46 in diese Phase stets vollständig mit Flüssigkeit gefüllt und es wird somit ein Austrocknen der Reaktionskammer und somit des darin angeordneten Mikroarrays zuverlässig vermieden. Bereits in der Reaktionskammer 46 befindliche Flüssigkeit wird durch die nachfolgend zugeführten Flüssigkeitsvolumina in den Abfallbereich verdrängt. Die Einlassbereiche 40 und 42 weisen die Öffnungen 40a und 42a entweder in dem Deckelchip oder in dem Substrat auf, um ein Befüllen derselben mit den jeweiligen Flüssigkeiten zu ermöglichen, entweder manuell oder automatisch. Ferner umfasst die optional hydrophobisierte Entlüftung 54 eine Öffnung entweder in dem Deckelchip oder dem Substrat, um eine Entlüftung zu ermöglichen.In preferred embodiments of the invention, the channel structures are formed in the cover chip, wherein the cover chip is so merged with a microarray substrate that in the reaction chamber, the microarray 60 is arranged. The walls of the channel structures preferably have hydrophilic properties. The inlet area 40 and the inlet channel 44 serve to sample liquid by centrifugal force on the rotating arrangement of the reaction space 46 supply. The inlet area 42 and the inlet channel 48 serve to reagents by the centrifugal force on the rotating arrangement of the reaction space 46 supply. The outlet channel 50 The purpose of this is to leave the first sample in the chamber at any high speed and during the shaking mode, thus maintaining a constant liquid level in the reaction chamber 46 adjust. Preferably, the reaction chamber 46 always completely filled with liquid in this phase and it is thus reliably prevented drying out of the reaction chamber and thus of the microarray arranged therein. Already in the reaction chamber 46 located liquid is displaced by the subsequently supplied liquid volumes in the waste area. The inlet areas 40 and 42 have the openings 40a and 42a either in the lid chip or in the substrate to allow them to be filled with the respective liquids, either manually or automatically. Furthermore, the optionally hydrophobicized vent comprises 54 an opening in either the lid chip or the substrate to allow venting.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand des Durchführens eines Mikroarray-Experiments beschrieben.One embodiment a method according to the invention will now be based on performing a microarray experiment described.

Dabei wird zunächst eine Probenflüssigkeit, d.h. ein Analyt, in die Reaktionskammer 46 eingebracht, indem der Einlassbereich 40 mit der Probenflüssigkeit befüllt und gleichzeitig oder nachfolgend die Kanalstruktur (beispielsweise durch den Drehmotor 14 mit der zugeordneten Steuereinrichtung 16, 2) mit einer geeigneten Rotation beaufschlagt wird, um durch die Zentrifugalkraft Fν und optional auch durch eine Kapillarkraft die Flüssigkeit durch den Einlasskanal 44 in die Reaktionskammer 46 einzubringen. Das eingebrachte Volumen ist so gewählt, dass sich über die Zentrifugalkraft im hydrostatischen Gleichgewicht zunächst ein Flüssigkeitspegel oberhalb der Erfassungsstruktur, aber unterhalb von rmax einstellt, sodass sich die Reaktionskammer noch nicht durch den Siphon zentrifugal entleeren kann.First, a sample liquid, ie an analyte, is introduced into the reaction chamber 46 introduced by the inlet area 40 filled with the sample liquid and at the same time or subsequently the channel structure (for example by the rotary motor 14 with the associated control device 16 . 2 ) is subjected to a suitable rotation, by the centrifugal force F v and optionally also by a capillary force, the liquid through the inlet channel 44 in the reaction chamber 46 contribute. The introduced volume is chosen so that the centrifugal force in the hydrostatic equilibrium initially sets a liquid level above the detection structure, but below r max , so that the reaction chamber can not yet be centrifugally emptied by the siphon.

Nach dem Befüllen der Reaktionskammer wird nun diese mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor beaufschlagt, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen, ggf. unterbrochen durch Ruhephasen mit konstantem oder verschwindendem Drehvektor, aufweist. Durch die Drehung der Anordnung mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor erzeugen hydrodynamische Inertialkräfte innerhalb der Reaktionskammer Konvektionsströme der dort befindlichen Flüssigkeit. Somit kann die Zeitdauer für die Durchmischung von komplementären Molekülen in der Probe an die Fängermoleküle durch ein gezieltes „Umrühren" der in der Reaktionskammer 46 befindlichen Flüssigkeit verringert werden. Aufgrund der Konvektionsströme werden auch Moleküle, die im stationären Fall weit von den Fängermolekülen entfernt sein können, nahe an den immobilisierten und jeweils komplementären Fängermolekülen vorbeigeführt. Ferner werden nichtgebundene Reaktionspartner schnell von den Fängermolekülen entfernt.After filling the reaction chamber, it is then subjected to a time-variable rotary vector, which has a multiple acceleration and a multiple deceleration, possibly interrupted by resting phases with a constant or vanishing rotational vector. As a result of the rotation of the arrangement with a time-variable rotary vector, hydrodynamic inertial forces generate convection currents of the liquid located there within the reaction chamber. Thus, the length of time for the mixing of complementary molecules in the sample to the capture molecules by a specific "stirring" in the reaction chamber 46 located liquid can be reduced. Due to the convection currents, molecules that can be far away from the capture molecules in the stationary case are also transported past the immobilized and respectively complementary capture molecules. Furthermore, unbound reactants are rapidly removed from the capture molecules.

Nach einer für die Prozessierung des Mikroarrays ausreichenden Zeitdauer wird dann über den Einlassbereich 42 eine Waschflüssigkeit in die Reaktionskammer 46 eingebracht, durch Zentrifugalkraft durch den Einlasskanal 48. Dadurch wird die in der Reaktionskammer 46 befindliche Probenflüssigkeit über den Auslasskanal 50 verdrängt und die Siphonstruktur zentrifugal oder durch die Kapillarkraft bei geeignet kleinem Zentrifugalfeld befüllt. Mit vollständig befülltem Siphon findet im Zentrifugalfeld eine kontinuierliche Entleerung der Reaktionskammer 46 statt.After a sufficient time for the processing of the microarray time is then over the inlet area 42 a washing liquid in the reaction chamber 46 introduced by centrifugal force through the inlet channel 48 , This will put you in the reaction chamber 46 Sample liquid through the outlet channel 50 displaced and filled the siphon structure centrifugally or by the capillary force at a suitable small centrifugal field. With a completely filled siphon, a continuous evacuation of the reaction chamber takes place in the centrifugal field 46 instead of.

Das Siphonprinzip ergibt auch, dass das neu eingeführte Volumen dem verdrängten Volumen entspricht. Um einen vollständigen Flüssigkeitsaustausch in der Reaktionskammer 46 zu gewährleisten muss das neu eingeführte Volumen damit mindestens dem Kammervolumen entsprechen. Unter laminaren Verhältnissen, welche in den sehr flachen Kammern typische sind und gerade die in dieser Schrift behandelten Durchmischungsprobleme verursachen, kann die Volumenverdrängung hydrodynamisch so ausgestaltet werden, dass das neu eingeführte nicht mit ausgespült wird. Im Idealfall findet in der Kammer 46 also ein vollständiger Volumenaustausch statt.The siphon principle also shows that the newly introduced volume corresponds to the displaced volume. To complete a fluid exchange in the reaction chamber 46 To ensure this, the newly introduced volume must therefore at least correspond to the chamber volume. Under laminar conditions, which are typical in the very shallow chambers and just cause the mixing problems dealt with in this document, the volume displacement can be hydrodynamically designed so that the newly introduced is not flushed out with it. Ideally, takes place in the chamber 46 So a complete volume exchange instead.

Nach dem Zuführen der Waschflüssigkeit können über den Einlassbereich 42 und den Einlasskanal 48 unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft weitere Reagenzien, beispielsweise fluoreszenzmarkierte Nachweisantikörper, in die Reaktionskammer 46 eingebracht werden. Im Anschluss erfolgt wiederum ein Zuführen einer Waschflüssigkeit und deren zentrifugal getriebener Ausfluss durch den Siphon. Nachfolgend kann auf beliebige geeignete Weise eine Auswertung des Mikroarrays erfolgen.After feeding the washing liquid can over the inlet area 42 and the inlet channel 48 taking advantage of the centrifugal force further reagents, such as fluorescently labeled detection antibodies in the reaction chamber 46 be introduced. This is followed by feeding a washing liquid and its centrifugally driven outflow through the siphon. Subsequently, an evaluation of the microarray can take place in any suitable manner.

Hinsichtlich der Kanalstrukturen bleibt festzuhalten, dass in 3 die Einlasskanäle 44 und 48 sowie der Auslasskanal 50 den wesentlichen Teil des hydrodynamischen Flusswiderstandes der Gesamtstruktur darstellen.With regard to the channel structures, it should be noted that in 3 the inlet channels 44 and 48 as well as the outlet channel 50 represent the essential part of the hydrodynamic flow resistance of the entire structure.

In 5 ist schematisch eine Kanalstruktur gezeigt, deren Auslasskanal 70 eine alternative Siphon-Struktur 72 aufweist. Die Siphon-Struktur umfasst einen in Flussrichtung radial nach außen verlaufenden Abschnitt 70a und einen radial nach innen verlaufenden Abschnitt 70b, der in ein Abfallreservoir 76, das mit einer Entlüftungsöffnung 76a versehen ist, mündet. Diese im höchsten Punkt des Siphons rmax abgeschnittene Struktur basiert im Zentrifugalfeld direkt auf dem Prinzip der kommunizierenden Röhren. Im hydrostatischen Gleichgewicht stellt ein Flüssigkeitspegel Δr > 0 oberhalb von rmax die vollständige Befüllung sowie damit gleichzeitig auch die Festlegung des Gleichgewichts-Flüssigkeitspegel auf rmax sicher. Das Ende des Siphonkanals bei rmax liegt dabei vorzugsweise oberhalb der Erfassungsstruktur und gewährleistet damit eine vollständige Befüllung derselben, wie wiederum durch den Füllstand 58 angezeigt ist.In 5 is schematically shown a channel structure whose outlet channel 70 an alternative siphon structure 72 having. The siphon structure includes a radially outwardly extending portion in the flow direction 70a and a radially inwardly extending portion 70b in a waste reservoir 76 that with a vent 76a is provided, flows. This structure, cut off at the highest point of the siphon r max, is based directly on the principle of communicating tubes in the centrifugal field. In hydrostatic equilibrium provides a liquid level .DELTA.R> 0 above r max complete filling and thus also the determination of the equilibrium liquid level to r max safe. The end of the siphon channel at r max is preferably above the detection structure and thus ensures a complete filling of the same, as again by the level 58 is displayed.

Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren wurde ein Experiment durchgeführt, dessen Ablauf in den 6a und 6b schematisch dargestellt ist und dessen Ergebnisse in 7 gezeigt sind. Spezieller wurden zwei Experimente durchgeführt, wobei bei dem in 6a gezeigten Experiment ein Mikroarray-Substrat 90 verwendet wurde, in dem die Reaktionskammer 92 strukturiert ist und an dem das Mikroarray 94 immobilisiert ist. Als Substrat wurde dabei ein Polymersubstrat, und insbesondere ein Substrat aus COC (Cyclic Olefin Copolymer) verwendet.With the described apparatus and the described method, an experiment was carried out, the course of which in the 6a and 6b is shown schematically and its results in 7 are shown. More specifically, two experiments were carried out with the in 6a experiment shown a microarray substrate 90 was used in which the reaction chamber 92 is structured and on which the microarray 94 is immobilized. The substrate used was a polymer substrate, and in particular a substrate made of COC (cyclic olefin copolymer).

Bei dem Experiment gemäß 6b wurde ein nichtstrukturiertes Substrat und insbesondere ein PDMS-Substrat 96 (Polydimethylsiloxan-Substrat) ohne Kanalstrukturen verwendet.According to the experiment 6b became a non-structured substrate and in particular a PDMS substrate 96 (Polydimethylsiloxane substrate) used without channel structures.

Bei beiden Experimenten wurde BSA (Bovines Serum Albumin) unter Verwendung der gut dokumentierten EDC-NHS-Affinitäts-Ligandenkopplung an dem jeweiligen Substrat immobilisiert, um die Oberflächendichte der immobilisierten Fängermoleküle zu erhöhen.at In both experiments, BSA (bovine serum albumin) was used the well-documented EDC-NHS affinity ligand coupling to the respective substrate immobilized to the surface density increase the immobilized capture molecules.

Die entsprechenden Mikroarray-Substrate sind unter Punkt 1 in den 6a und 6b gezeigt. Die Substrate wurden dann mit einem jeweiligen Deckel versehen, wobei gemäß 6a ein unstrukturierter Deckel 98 verwendet ist, während gemäß 6b eine Reaktionskammer 100 in den Deckel 102 struktu riert ist. Dabei stellt der Deckel 98 einen PDMS-Deckel dar, während der Deckel 102 einen COC-Deckel darstellt. Nachfolgend wurde die Probe, die eine bekannte Zielkonzentration c(BSA) von Maus-Anti-BSA-Antikörpern aufweist, in die Reaktionskammer eingebracht, wie unter Punkt 2 der 6a und 6b zu sehen ist. Nachfolgend wurden Schaf-Anti-Maus-Cy3-Antikörper zugeführt, siehe Punkt 3 in 6a und 6b. Dabei werden die spezifischen Antigen-Antikörper-Komplexe gebildet. Nachfolgend erfolgt ein Waschschritt, woraufhin fluoreszierende Erfassungs-Antikörper 104 zugeführt werden, mit denen die genannten Komplexe markiert werden.The corresponding microarray substrates are below point 1 in the 6a and 6b shown. The substrates were then provided with a respective lid, according to 6a an unstructured lid 98 is used while according to 6b a reaction chamber 100 in the lid 102 is structured. In doing so, the lid provides 98 a PDMS lid while the lid 102 represents a COC lid. Subsequently, the sample having a known target concentration c (BSA) of mouse anti-BSA antibodies was introduced into the reaction chamber as in point 2 of the 6a and 6b you can see. Subsequently, sheep anti-mouse Cy3 antibodies were added, see item 3 in 6a and 6b , The specific antigen-antibody complexes are formed. This is followed by a washing step, followed by fluorescent detection antibodies 104 be supplied with which the said complexes are marked.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in 7 gezeigt, wobei die Kurve 110 das COC-Mikroarray-Substrat mit Kanalstruktur betrifft, während die Kurve 112 das PDMS-Mikroarray-Substrat ohne Kanalstruktur betrifft. 7 zeigt, dass eine klare und reproduzierbare Korrelation für variierende Zielkonzentrationen cBSA und das resultierende Fluoreszenzsignal I über einem Arbeitsbereich von zumindest 3 Dekaden erhalten wird. Das gesamte Mikroarray-Experiment war nach 45 Minuten beendet, wobei alle Schritte vollständig automatisiert durchgeführt werden können.The results obtained are in 7 shown, with the curve 110 the COC microarray substrate with channel structure affects while the curve 112 relates to the PDMS microarray substrate without channel structure. 7 shows that a clear and reproducible correlation for varying target concentrations cBSA and the resulting fluorescence signal I over a working range of at least 3 decades is obtained. The entire microarray experiment was completed in 45 minutes, with all steps fully automated.

Mögliche Rotationsprotokolle zum Beaufschlagen der Kanalstrukturen mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und mehrfaches Abbremsen aufweist, sind in den 8a, 8b und 8c gezeigt. 8a zeigt ein Umschalten zwischen maximalen Rotationsfrequenzen fmax mit unterschiedlichem Drehsinn. Die maximale Rotationsfrequenz kann beispielsweise 8 Hz betragen, während die maximale Rotationsbeschleunigung beispielsweise ±32 Hz/s betragen kann. 8b zeigt ein Umschalten zwischen einer Maximalrotationsfrequenz fmax und einer Rotationsfrequenz von 0, so dass das Rotationsprotokoll, wie es in 8 gezeigt ist, unter Verwendung von Zentrifugen, die nur in einer Drehrichtung betreibbar sind, durchgeführt werden kann. Schließlich zeigt 8c ein Rotationsprotokoll, bei dem nach dem Beschleunigen auf die jeweilige maximale Rotationsfrequenz kurzfristig eine Rotation bei dieser maximalen Rotationsfrequenz stattfindet. Nicht gezeigt in den 8a bis 8c ist ein gelegentliches Aussetzen der Beschleunigungsphasen mit konstantem oder verschwindendem Drehvektor.Possible rotation protocols for applying the channel structures with a temporally variable rotation vector, which has a multiple acceleration and multiple deceleration are in the 8a . 8b and 8c shown. 8a shows a switching between maximum rotational frequencies f max with different directions of rotation. The maximum rotational frequency may be 8 Hz, for example, while the maximum rotational acceleration may be, for example, ± 32 Hz / s. 8b shows a switching between a maximum rotational frequency f max and a rotational frequency of 0, so that the rotation protocol as shown in FIG 8th can be performed using centrifuges, which are operable in one direction only, can be performed. Finally shows 8c a rotation protocol in which after accelerating to the respective maximum rotational frequency, a short rotation takes place at this maximum rotational frequency. Not shown in the 8a to 8c is an occasional suspension of the acceleration phases with a constant or vanishing rotational vector.

9 zeigt beispielhaft die jeweiligen Frequenzprotokolle ν(t) und Füllstandhöhen in der Reaktionskammer Δr als Funktion der Zeit t für die Siphons nach Art von 3 und 5 dargestellt. Bezüglich der Füllstandshöhen bezieht sich die Kurve 120 auf die Siphon-Struktur nach 3, während sich die Kurve 122 auf die Siphon-Struktur nach 5 bezieht. Die Zeitskala ist hier nicht linear skaliert, beispielsweise ist die Zeitspanne der Probeninkubation im Schüttelmodus typischerweise mindestens um einen Faktor 10 länger als die nachfolgende Phase des Durchspülens vom Waschpuffer. In den Ruhephasen Δt1 und Δt2 werden Flüssigkeitsvolumina zugefügt. 9 shows by way of example the respective frequency protocols ν (t) and level heights in the reaction chamber Δr as a function of the time t for the siphons in the manner of 3 and 5 shown. Regarding the level heights the curve refers 120 to the siphon structure after 3 while the bend 122 to the siphon structure after 5 refers. The time scale is not linearly scaled here, for example the sample incubation time in the shake mode is typically at least a factor of ten longer than the subsequent wash-through phase of the wash buffer. In the resting phases Δt 1 and Δt 2 liquid volumes are added.

Wie der Kurve 120 in 9 zu entnehmen ist, ist die Mikroarray-Struktur nach 3 während des Schüttelmodus vollständig bedeckt. Auf die Zugabe eines nachfolgenden Volumens und der damit verbundenen vollständigen Befüllung des Siphons wird die Kammer während des Drehens kontinuierlich entleert, wie dem Abschnitt 120a der Kurve 120 zu entnehmen ist.Like the curve 120 in 9 it can be seen, the microarray structure is after 3 completely covered during shaking mode. Upon the addition of a subsequent volume and the associated complete filling of the siphon, the chamber is continuously deflated during rotation, such as the section 120a the curve 120 can be seen.

Abweichend von den erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispielen sind zahlreiche Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. So könnte statt des beschriebenen scheibenförmigen Rotors 10 ein ebenfalls in 1 angedeuteter vierarmiger Rotor verwendet werden. Wiederum alternativ könnte der Körper, in dem die Fluidstrukturen gebildet sind, als Rotationskörper, beispielsweise als Scheibe ausgebildet sein, der um eine Rotationsachse desselben rotierbar ist. In diesem Körper könnten mehrere Kanalstrukturen radial sternförmig angeordnete sein, vergleichbar zu der Anordnung der Module 22 in dem Rotor 10.Notwithstanding the illustrated preferred embodiments, numerous variations of the present invention are possible. So could instead of the described disc-shaped rotor 10 a likewise in 1 indicated four-armed rotor can be used. Again alternatively, the body in which the fluid structures are formed could be formed as a rotational body, for example as a disc, which is rotatable about an axis of rotation thereof. In this body, a plurality of channel structures could be arranged radially star-shaped, comparable to the arrangement of the modules 22 in the rotor 10 ,

Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung könnte statt der Siphon-Struktur des Auslasskanals darüber hinaus der Auslasskanal mit einer hydrophoben Barriere oder einem hohen Flusswiderstand versehen sein, die einen von einer Rotationsfrequenz abhängigen Flüssigkeitsschalter darstellen.at alternative embodiments of the present invention beyond the siphon structure of the outlet channel beyond the outlet channel with a hydrophobic barrier or a high flow resistance be provided, which is a dependent of a rotational frequency liquid switch represent.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung umfassen die Kanalstrukturen einen oder mehrere Einlasskanäle, um Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft in die Reaktionskammer zuzuführen. Alternativ könnte jedoch die Flüssigkeit auch auf beliebige andere Arten in die Reaktionskammer gelangen, beispielsweise über einen Zuführkanal unter Ausübung eines Drucks oder durch manuelle Befüllung, beispielsweise mit einem Pipetiersystem. Auch der Auslasskanal bzw. die Siphon-Struktur desselben stellt kein zwingendes Merkmal der Erfindung dar, insbesondere dann, wenn nicht mehrere Flüssigkeiten nacheinander durch die Reaktionskammer geführt werden sollen, sondern unter Verwendung einer Sensorstruktur lediglich die Eigenschaften einer Flüssigkeit erfasst werden sollen. Die Flüssigkeiten könnten auch durch eine Deckelöffnung oder zwischenzeitliches Entfernen des Deckels abgesaugt oder ausgespült werden.at preferred embodiments In accordance with the invention, the channel structures comprise one or more inlet channels for liquid by centrifugal force into the reaction chamber. alternative could but the liquid get into the reaction chamber in any other ways, for example about a feed channel under exercise of a Pressure or by manual filling, for example with a pipetting system. Also the outlet channel or the siphon structure of the same is not a mandatory feature of Invention, especially if not several liquids in succession be guided through the reaction chamber but using a sensor structure only the properties of a liquid should be recorded. The liquids could also through a lid opening or removing the lid in the meantime by suction or rinsing.

Zudem ließe sich der Mischvorgang noch durch die in der oben erwähnten Veröffentlichung M. Grumann u. a., „Batch-Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms", Lab Chip, 2005, 5, Seiten 560–565, durch die Zugabe von (para-) magnetischen Beads in Kombination mit Permanentmagneten, die ortsfest entlang des Kammerorbits angeordnet sind, unterstützen. Speziell im Schüttel-Modus könnten auch Beads, deren Dichte von der entsprechenden Flüssigkeitsdichte abweicht, den Mischvorgang beschleunigen. Durch eine Zentrifugation bzw. einen entsprechend positionierten Magneten ließen sich die Beads wieder abschließend aus dem Detektionsfenster der Mikroarrays entfernt werden.moreover could the mixing process still by the in the above-mentioned publication M. Grumann u. a., "Batch-Mode Mixing on Centrifugal Microfluidic Platforms ", Lab Chip, 2005, 5, pages 560-565, by the addition of (para) magnetic beads in combination with Permanent magnets, which are arranged fixedly along the chamber orbit are, support. Especially in shake mode could also Beads whose density differs from the corresponding liquid density, the Accelerate mixing process. By centrifugation or a appropriately positioned magnets, the beads were finally out again be removed from the detection window of the microarrays.

Der Rotationsantrieb kann beispielsweise entworfen sein, um PC-gesteuert ein Frequenzprotokoll durchzuführen, um einen zeitabhängiges Zentrifugalfeld zu erzeugen, um für die einzelnen, durchzuführenden Schritte die Flussraten und den zeitlichen Ablauf exakt zu steuern. Eine Steuersoftware kann auch beispielsweise einen oder mehrere Dispenser steuern, welche bei ruhendem oder auch bei entsprechender Synchronisation bei rotierendem Substrat die Reagenzien auf die Einlässe aufgeben. Beispielsweise durch eine Saugvorrichtung ließe sich ebenfalls das Abführen der Flüssigkeiten automatisieren.Of the Rotary drive, for example, can be designed to be PC-controlled to carry out a frequency protocol, around a time-dependent To generate centrifugal field in order for the individual to be carried out Steps to precisely control the flow rates and timing. Control software may also include, for example, one or more Dispensers control which at rest or even with appropriate Synchronization with rotating substrate the reagents on the inlets give up. For example, by a suction device could be also the discharge of liquids automate.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren, die insbesondere geeignet sind, um Mikroarray-Experimente auf eine zunehmend automatisierte Weise durchzuführen. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, Probenflüssigkeit und die darin enthaltenen Moleküle effizient Fängermolekülen des Mikroarrays zuzuführen und während des gesamten Experiments zu verhindern, dass das Mikroarray austrocknet. Dadurch können zuverlässige, reproduzierbare Ergebnisse bei nur sehr geringen Totvolumen und hoher Sensitivität erhalten werden. Insbesondere können durch eine Kammer mit sehr geringem Volumen und ebenfalls sehr geringen Totvolumina in den Zuführungen die Geschwindigkeit und Sensitivität der Prozessierung verbessert werden. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere auch für den Einsatz in sogenannten „Lab-on-a-Disk"-Systemen, die eine flexible Plattform für eine vollständig integrierte und schnelle Verarbeitung von Experimenten darstellen.The present invention thus provides apparatus and methods that are particularly suitable for performing microarray experiments in an increasingly automated manner. in particular In particular, the present invention provides a means to efficiently deliver sample liquid and the molecules contained therein to capture molecules of the microarray and to prevent the microarray from drying out throughout the experiment. As a result, reliable, reproducible results can be obtained with only a very small dead volume and high sensitivity. In particular, the speed and sensitivity of the processing can be improved by a chamber with very low volume and also very low dead volumes in the feeders. The present invention is also particularly suitable for use in so-called "lab-on-a-disk" systems, which provide a flexible platform for fully integrated and fast processing of experiments.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Durchführung von Mikroarray-Experimenten mit einem reduzierten Zeitaufwand, einer schnellen und homogenen Reaktion, einem automatisierten Waschvorgang, einem reduzierten Verbrauch von Probe und Reagenzien, sowie einer integrierten Abfallhandhabung. Durch die Elimination von ungesteuerten Trocknungsschritten durch die Siphon-Struktur kann ferner die Empfindlichkeit des Mikroarray-Experiments erhöht werden. Auf diese Weise wird die Verwendung getrennter Vorrichtungen, wie Objektträger-Wascheinrichtungen und dergleichen obsolet und Handhabungsschritte werden automatisiert. Schließlich ermöglicht die Symmetrie des Rotors bzw. des Rotationskörpers potentiell, dass mehrere Mikroarray-Experimente parallel durchgeführt werden.The present invention enables the implementation of microarray experiments with a reduced amount of time, one fast and homogeneous reaction, an automated washing process, a reduced consumption of sample and reagents, as well as a integrated waste handling. By the elimination of uncontrolled drying steps The sensitivity of the microarray experiment can be further improved by the siphon structure elevated become. In this way, the use of separate devices, like slide-washing devices and the like become obsolete and handling steps are automated. Finally, the Symmetry of the rotor or the body of revolution potentially that multiple microarray experiments carried out in parallel become.

Erfindungsgemäß ist die Kammer vorzugsweise ausgebildet, um vollständig, d.h. ohne Gaseinschluss, mit der Probe befüllt zu werden. Zu diesem Zweck kann die Kammer vollständig verschließbar sein oder mit Ausnahme von Zulaufkanal und Ablaufkanal vollständig geschlossen sein. Die vorliegende Erfindung ermöglicht dabei selbst bei vollständig gefüllter Kammer und sehr kleinen Probenvolumina ein effizientes Vorbeiführen der Probe an einer Erfassungsstruktur.According to the invention Chamber preferably designed to be completely, i. without gas inclusion, filled with the sample to become. For this purpose, the chamber can be completely closed or with the exception of inlet channel and outlet channel completely closed be. The present invention makes it possible even with completely filled chamber and very small sample volumes efficiently pass the Sample on a detection structure.

Claims (25)

Verfahren zum Handhaben einer flüssigen Probe, mit folgenden Schritten: Einbringen der Probe in eine Kammer (30; 46; 80; 92; 100), in der eine Erfassungsstruktur (60; 94), die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, angeordnet ist; Rotieren der Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialeffekte Konvektionsströme der Probe in der Kammer zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur (60; 94) vorbeizuführen.Method for handling a liquid sample, comprising the following steps: introducing the sample into a chamber ( 30 ; 46 ; 80 ; 92 ; 100 ), in which a collection structure ( 60 ; 94 ), which enables detection of a property of the sample, is arranged; Rotating the chamber with a time-varying rotary vector having multiple accelerations and multiple decelerations to generate convection currents of the sample in the chamber by hydrodynamic inertial effects to cause the sample to be exposed to the sensing structure (FIG. 60 ; 94 ) pass by. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kammer vollständig mit der Probe gefüllt wird.The method of claim 1, wherein the chamber is completely with filled the sample becomes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Erfassungsstruktur (60; 94) ein Mikroarray von Fängerstrukturen zum Einfangen von Molekülen aus der Probe ist.Method according to Claim 1 or 2, in which the detection structure ( 60 ; 94 ) is a microarray of capture structures for trapping molecules from the sample. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Erfassungsstruktur eine Sensorstruktur aufweist.Method according to claim 1 or 2, wherein the detection structure has a sensor structure. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Sensorstruktur einen Biosensor, einen Sauerstoffsensor oder einen CO2-Sensor aufweist.The method of claim 4, wherein the sensor structure comprises a biosensor, an oxygen sensor or a CO 2 sensor. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Drehvektor ein mehrfaches Beschleunigen und Abbremsen in einer Drehrichtung aufweist.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the rotation vector a multiple acceleration and deceleration in one direction having. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Drehvektor ein mehrfaches Beschleunigen und Abbremsen in unterschiedlichen Drehrichtungen aufweist.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the rotation vector a multiple acceleration and deceleration in different Has directions of rotation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Schritt des Einbringens das Einbringen der Probe durch einen Einlasskanal (36; 44; 84) durch Zentrifugalkraft aufweist.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the step of introducing the introduction of the sample through an inlet channel ( 36 ; 44 ; 84 ) by centrifugal force. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das ferner einen Schritt des Entleerens der Probe aus der Kammer (30; 46; 80; 92; 100) durch Zentrifugalkraft durch einen Auslasskanal (32; 50; 70) aufweist.The method of any one of claims 1 to 8, further comprising a step of emptying the sample from the chamber (10). 30 ; 46 ; 80 ; 92 ; 100 ) by centrifugal force through an outlet channel ( 32 ; 50 ; 70 ) having. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner einen Schritt des Einbringens einer Waschflüssigkeit in die Kammer (30; 46; 80; 92; 100) aufweist, um dadurch die Probe aus der Kammer durch eine Siphon-Struktur (52; 72), die in einem gegebenen zentrifugalen Kraftfeld eine definierte Füllhöhe in der Kammer erzeugt, aus der Kammer zu entleeren.Method according to one of claims 1 to 9, further comprising a step of introducing a washing liquid into the chamber ( 30 ; 46 ; 80 ; 92 ; 100 ), thereby separating the sample from the chamber by a siphon structure ( 52 ; 72 ), which generates a defined fill level in the chamber in a given centrifugal force field, to empty from the chamber. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner einen Schritt des Einbringens von Reagenzien in die Kammer aufweist.Method according to one of claims 1 to 10, further comprising a Step of introducing reagents into the chamber. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Probe und die Reagenzien über separate Einlasskanäle (36, 38; 44, 48) in die Kammer eingebracht werden.The method of claim 11, wherein the sample and reagents are separated via separate inlet channels ( 36 . 38 ; 44 . 48 ) are introduced into the chamber. Vorrichtung zum Handhaben einer flüssigen Probe, mit folgenden Merkmalen: einer Kammer (30; 46; 80; 92; 100), in der eine Erfassungsstruktur (60; 94), die eine Erfassung einer Eigenschaft der Probe ermöglicht, angeordnet ist; einer Antriebseinrichtung (14), die konfiguriert ist, um die Kammer einer Rotation zu unterwerfen; und einer Steuereinrichtung (16), die konfiguriert ist, um die Antriebseinrichtung zu steuern, um die Kammer mit einem zeitlich veränderlichen Drehvektor zu rotieren, der ein mehrfaches Beschleunigen und ein mehrfaches Abbremsen aufweist, um durch hydrodynamische Inertialkräfte Konvektionsströme einer in der Kammer befindlichen Probe zu erzeugen, um die Probe an der Erfassungsstruktur (60; 94) vorbeizuführen.Device for handling a liquid sample, comprising: a chamber ( 30 ; 46 ; 80 ; 92 ; 100 ), in which a collection structure ( 60 ; 94 ), which enables detection of a property of the sample, is arranged; a drive device ( 14 ) configured to subject the chamber to rotation; and a control device ( 16 ) configured to control the drive means to rotate the chamber with a time-varying rotational vector having multiple accelerations and multiple decelerations to generate convection currents of a sample within the chamber by hydrodynamic inertial forces around the sample at the collection structure ( 60 ; 94 ) pass by. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Kammer ausgebildet ist, um vollständig mit der Probe befüllt zu werden.Apparatus according to claim 13, wherein the chamber is designed to be complete filled with the sample to become. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Erfassungsstruktur (60; 94) ein Mikroarray von Fängerstrukturen zum Einfangen von Molekülen aus der Probe ist.Device according to Claim 13 or 14, in which the detection structure ( 60 ; 94 ) is a microarray of capture structures for trapping molecules from the sample. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Erfassungsstruktur eine Sensorstruktur aufweist.Apparatus according to claim 13 or 14, wherein the Detection structure has a sensor structure. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Sensorstruktur einen Biosensor, einen Sauerstoffsensor oder einen CO2-Sensor aufweist.Apparatus according to claim 16, wherein the sensor structure comprises a biosensor, an oxygen sensor or a CO 2 sensor. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der der Drehvektor ein mehrfaches Beschleunigen und Abbremsen in einer Drehrichtung aufweist.Device according to one of claims 13 to 17, wherein the Rotation vector a multiple acceleration and deceleration in one direction of rotation having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der der Drehvektor ein mehrfaches Beschleunigen und Abbremsen in unterschiedlichen Drehrichtungen aufweist.Device according to one of claims 13 to 17, wherein the Drehvektor a multiple acceleration and deceleration in different Has directions of rotation. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei der die Kammer (30; 46; 80; 92; 100) in einem Körper gebildet ist.Device according to one of claims 13 to 19, in which the chamber ( 30 ; 46 ; 80 ; 92 ; 100 ) is formed in a body. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der der Körper ferner einen Einlasskanal (36; 44; 84) zum zentrifugalen Zuführen einer Probe in die Kammer (30; 46; 80; 92; 100) und/oder einen Auslasskanal (32; 50; 70) zum zentrifugalen Entleeren einer Probe aus der Kammer aufweist.Apparatus according to claim 20, wherein the body further comprises an inlet channel (16). 36 ; 44 ; 84 ) for centrifugally feeding a sample into the chamber ( 30 ; 46 ; 80 ; 92 ; 100 ) and / or an outlet channel ( 32 ; 50 ; 70 ) for centrifugally emptying a sample from the chamber. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der der Auslasskanal eine Siphon-Struktur (52; 72) aufweist, die nach dem Siphon-Prinzip den Füllstand in der Kammer einstellt.Device according to Claim 21, in which the outlet channel has a siphon structure ( 52 ; 72 ), which adjusts the level in the chamber according to the siphon principle. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei der der Körper ein Substrat (24; 90; 96) und einen Deckel (26; 98; 102) aufweist, wobei die Kammer und, wenn vorhanden, der Einlasskanal und der Auslasskanal in dem Substrat, dem Deckel oder in beide strukturiert sind.Device according to one of claims 20 to 22, in which the body is a substrate ( 24 ; 90 ; 96 ) and a lid ( 26 ; 98 ; 102 ), wherein the chamber and, if present, the inlet channel and the outlet channel in the substrate, the lid or both are structured. Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Erfassungsstruktur (60; 94) auf dem Substrat immobilisiert ist.Device according to Claim 23, in which the detection structure ( 60 ; 94 ) is immobilized on the substrate. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei der das Substrat (24; 90; 96) einen separaten Einlasskanal (38; 48) zum Einbringen von Reagenzien in die Kammer aufweist.Device according to one of Claims 20 to 24, in which the substrate ( 24 ; 90 ; 96 ) a separate inlet channel ( 38 ; 48 ) for introducing reagents into the chamber.
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