DE102014214379A1

DE102014214379A1 - Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102014214379A1
Application number: DE102014214379.9A
Authority: DE
Inventors: Ana Fiebach; Vaskar Gnyawali; Juergen Steigert; Nils Paust
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Eine Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten umfasst wenigstens einen ersten Körper (15) und wenigstens einen zweiten Körper (25) mit jeweils wenigstens einer Kavität. Die Körper (15, 25) sind axial übereinander angeordnet und sind in Abhängigkeit von einer Zentrifugalkraft oder einer gleichwirkenden Kraft gegeneinander verdrehbar. Der erste Körper (15) weist wenigstens eine erste Führungsstruktur (150) und der zweite Körper (25) wenigstens eine erste Gegenstruktur (250) auf. Die erste Führungsstruktur (150) und die erste Gegenstruktur (250) können zusammenwirken, wobei sie insbesondere ineinandergreifen. Durch das Zusammenwirken von erster Führungsstruktur (150) und erster Gegenstruktur (250) wird eine Annäherung und Entfernung des zweiten Körpers (25) gegenüber dem ersten Körper (15) und ein Verdrehen des zweiten Körpers (25) im Verhältnis zum ersten Körper (15) in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft oder der gleichwirkenden Kraft ausgelöst. Der zweite Körper (25) oder der erste Körper weist darüber hinaus wenigstens eine weitere, zweite Führungsstruktur (260) und der erste Körper (15) beziehungsweise der zweite Körper wenigstens eine weitere, zweite Gegenstruktur (160) auf, die zusammenwirken können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten und insbesondere zur Durchführung von biochemischen und/oder chemischen Prozessen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens zwei axial übereinander angeordnete Körper mit jeweils wenigstens einer Kavität. Die Körper sind in Abhängigkeit von einer Zentrifugalkraft oder einer gleichwirkenden Kraft gegeneinander verdrehbar, wobei die Kavitäten miteinander fluidisch gekoppelt werden können.
Stand der Technik
Die Durchführung von biochemischen oder chemischen Prozessen, beispielsweise im Zusammenhang mit der Aufreinigung bestimmter Moleküle und/oder mit der Analyse und Charakterisierung bestimmter Moleküle, basiert im Wesentlichen auf der Handhabung von Flüssigkeiten.
Für viele Reaktionen und Prozesse sind bereits Automatisierungen verfügbar. Beispielsweise sind Systeme bekannt, wobei die Flüssigkeiten typischerweise in einem Spezialgerät in einer Kartusche prozessiert werden. So beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 ein System mit einer Vorrichtung, die zum Einsetzen in einen Zentrifugationsrotor vorgesehen ist. Hierbei sind zwei oder mehr revolverartige Körper axial übereinander angeordnet. Die Revolver beinhalten dabei ein oder mehrere Kavitäten, insbesondere Reaktionskammern, Kanäle und gegebenenfalls weitere Strukturen, für die Durchführung von Prozessen, insbesondere von fluidischen Einheitsoperationen. Ein Beschleunigungswechsel der Zentrifuge aktiviert eine integrierte Drehmechanik, die nach Art einer Kugelschreibermechanik funktioniert. Infolge der Zentrifugalkraft bewegen sich die Körper radial nach außen, wobei die Körper mittels einer Verzahnung und einem integrierten Rückstellmittel gegeneinander verdreht werden. Einzelne Kavitäten können hierdurch miteinander verschaltet werden. Darüber hinaus ist ein orientierungsabhängiges Öffnen von einzelnen Kavitäten oder Gefäßen der Körper möglich, wobei eine Seite des Gefäßes beispielsweise mit einer durchstechbaren Folie versehen ist. Mit Hilfe eines Dorns auf einem benachbarten Körper wird die Folie durch die Bewegung der Körper gegeneinander durchstoßen. Auf diese Weise kann eine kontrollierte Fluidführung in der Vorrichtung erreicht werden. Dieses System kann insbesondere für die Durchführung verschiedener biochemischer oder chemischer Protokolle eingesetzt werden, beispielsweise für eine Standard-DNA-Aufreinigung, wobei das erforderliche Aufreinigungsprotokoll typischerweise durch acht Verdrehungen des zweiten Revolvers in automatisierter Weise realisiert werden kann.
Alternativ zur Zentrifugalkraft können derartige Systeme beispielsweise auch mit Druckluft oder mechanischen Aktuierungseinrichtungen betätigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten erweitert die Möglichkeiten der beschriebenen Kugelschreibermechanik der eingangs beschriebenen Systeme, sodass deutlich komplexere Protokolle durchgeführt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung geht dabei von einer Vorrichtung mit wenigstens einem ersten Körper und wenigstens einem zweiten Körper aus. Die Körper sind innerhalb einer umgebenden Hülsenstruktur axial übereinander angeordnet. Die äußere Form der Körper ist vorzugsweise drehrund oder zylinderförmig. Die Körper umfassen jeweils wenigstens eine Kavität und werden im Folgenden auch als Revolver bezeichnet. Sie sind in Abhängigkeit von einer Zentrifugalkraft oder einer gleichwirkenden Kraft, die vorzugsweise entgegen einer Rückstellkraft wirkt, gegeneinander verdrehbar. Der erste Körper weist wenigstens eine erste, an sich bekannte erste Führungsstruktur auf, beispielsweise eine im Wesentlichen umlaufende profilierte Führungsstruktur. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Zackenstruktur handeln, die am äußeren Umfang des Körpers umlaufend angeordnet ist. Mit „im Wesentlichen“ ist gemeint, dass die umlaufende Struktur mit oder ohne Unterbrechung ausgestaltet sein kann. Der zweite Körper weist wenigstens eine erste Gegenstruktur auf. Die erste Führungsstruktur und die erste Gegenstruktur sind so ausgestaltet, dass sie zusammenwirken und insbesondere ineinandergreifen können, beispielsweise kann die erste Gegenstruktur in die erste Führungsstruktur eingreifen oder umgekehrt. Mit dem Begriff „Ineinandergreifen“ ist hierbei gemeint, dass eine der Strukturen einen Anschlag bildet, der eine weitere Annäherungsbewegung der Körper zueinander begrenzt und/oder die Annäherungsbewegung in eine vorgegebene Richtung leitet. An der Innenseite der umgebenden Hülse sind weitere Strukturen vorgesehen, die eine Drehfixierung des ersten Körpers bewirken. Durch das Zusammenwirken und insbesondere das Ineinandergreifen der ersten Führungsstruktur und der ersten Gegenstruktur werden eine Annäherung und eine Entfernung des zweiten Körpers gegenüber dem ersten Körper und im Zusammenspiel mit den Führungsstrukturen auf der Innenseite der umgebenden Hülse ein Verdrehen des zweiten Körpers im Verhältnis zum ersten Körper in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft oder der gleichwirkenden Kraft bewirkt. Der Einfachheit halber wird diese an sich bekannte Führungsstruktur und die entsprechende Gegenstruktur im Folgenden zum Teil jeweils mit „Führungsstruktur A“ bzw. „Gegenstruktur A“ bezeichnet. Der Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass der zweite Körper oder der erste Körper wenigstens eine weitere, zweite Führungsstruktur (Führungsstruktur B) aufweist. Der erste Körper beziehungsweise der zweite Körper (wenn sich die zweite Führungsstruktur auf dem ersten Körper befindet) ist mit wenigstens einer weiteren, zweiten Gegenstruktur ausgestattet, wobei auch die zweite Führungsstruktur und die zweite Gegenstruktur zusammenwirken und insbesondere ineinandergreifen können und damit einen bestimmten Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Körper definieren. Insbesondere kann die zweite Gegenstruktur in die zweite Führungsstruktur eingreifen oder umgekehrt. Durch diese zusätzliche zweite Führungsstruktur und die entsprechende zweite Gegenstruktur werden die Möglichkeiten der Verdrehmechanik erheblich erweitert. Durch die ersten und zweiten Strukturen wird jeweils ein bestimmter Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Körper festgelegt (erste Ebene (Ebene A) und zweite Ebene (Ebene B)), wobei die zweiten Strukturen bei vorgegebenen Stellungen einer Verdrehung des ersten Körpers und des zweiten Körpers zueinander einen größeren Abstand zwischen den Körpern festlegen als die ersten Strukturen. Mit anderen Worten wird ein durch die erste Führungs- und die erste Gegenstruktur festgelegter Abstand zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper, wobei der festgelegter Abstand abhängig von einer Stellung einer Verdrehung des ersten zu dem zweiten Körper variiert, durch die zweite Führungs- und die zweite Gegenstruktur für vorgegebene Stellungen der Verdrehung des ersten zu dem zweiten Körper vergrößert. Das Ausmaß der Vergrößerung des Abstands durch die zweite Führungs- und zweite Gegenstruktur ist hierbei ebenfalls von einer jeweiligen Stellung einer Verdrehung des ersten Körpers und des zweiten Körpers zueinander abhängig. Die Verteilung der verschiedenen Führungsstrukturen und der jeweiligen Gegenstrukturen auf die Körper ist frei wählbar, solange sich eine Führungsstruktur und die zugehörige Gegenstruktur auf unterschiedlichen Körpern befinden.
Mit diesem System können die Anzahl der relativen Drehbewegungen des zweiten Körpers im Verhältnis zum ersten Körper und damit die Möglichkeiten für automatisierte Prozessierungsschritte deutlich erhöht werden. Bei der herkömmlichen Kartuschenmechanik ist die Anzahl der Stellungen einer Verdrehung der Körper zueinander aufgrund von fertigungstechnischen Gegebenheiten und wegen der Probleme mit einem möglichen Verhaken der Mechanik begrenzt. Typischerweise sind nur acht verschiedene Stellungen ohne Probleme möglich. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den unterschiedlichen Ebenen der Führungsstrukturen kann hingegen ohne Weiteres eine 16-fache Drehmechanik realisiert werden. Durch die damit verbundene Erhöhung der möglichen Anzahl der durchzuführenden Prozessierungsschritte können damit wesentlich komplexere Protokolle in automatisierter Weise durchgeführt werden. Beispielsweise eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in besonderer Weise für Immunoassays, die im Allgemeinen verhältnismäßig komplex sind, wobei eine Vielzahl von Reagenzien benötigt wird, die teilweise auch gleichzeitig freigesetzt werden müssen. Dies ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Weiteres möglich. Daher eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung mit besonderem Vorteil auch für diagnostische Tests, beispielsweise im klinischen Bereich, in denen komplexe Assays, beispielsweise Immunoassays, in großer Anzahl durchzuführen sind. Allgemein eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich mit der bekannten Kartuschenmechanik für die Durchführung von wesentlich komplexeren Assays, da deutlich mehr Reagenzien in automatisierter Weise prozessiert werden können, die sowohl nacheinander als auch zeitgleich freigesetzt werden können. Es ist dabei auch möglich, innerhalb einer Kartusche mehrere Assays parallel durchzuführen. Beispielsweise kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine 4-Punkt-Kalibrierkurve für einen Immunoassay im Zuge einer quantitativen Analyse in automatisierter Weise bestimmt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirken die erste Führungsstruktur des ersten Körpers und die zweite Führungsstruktur des zweiten Körpers oder gegebenenfalls des ersten Körpers mit ihren jeweiligen Gegenstrukturen bei unterschiedlichen Abständen zwischen dem ersten und dem zweiten Körper zusammen. Hierdurch wird eine mehrstufige Annäherung und Entfernung des zweiten Körpers gegenüber dem ersten Körper in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft oder der gleichwirkenden Kraft ausgelöst. Insbesondere greifen die zweite Führungsstruktur und die entsprechende zweite Gegenstruktur bei einem größeren Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Körper vollständig ineinander als die erste Führungsstruktur des ersten Körpers und die entsprechende erste Gegenstruktur des zweiten Körpers. Beispielsweise bezogen auf ein zentrifugalaktiviertes System wirkt die Zentrifugalkraft als Beschleunigung auf die Körper, sodass sich die Körper innerhalb der umgebenden Hülsenstruktur radial nach außen bewegen. Der Abstand zwischen den Körpern verringert sich. Beim Entschleunigen bewegen sich die Körper durch die wirkende Rückstellkraft wieder zurück. Durch die Führungsstrukturen und die Drehfixierung des ersten Körpers wird dabei ein Verdrehen des zweiten Körpers in Relation zum ersten Körper entlang der Führungsstrukturen ausgelöst. Diese Führung erfolgt erfindungsgemäß auf mindestens zwei Ebenen. Die zweite Führungsstruktur und die entsprechende zweite Gegenstruktur greifen bei einem größeren Abstand zwischen den beiden Körpern ineinander als die erste Führungsstruktur und die entsprechende erste Gegenstruktur. Dies wird zweckmäßigerweise so realisiert, dass am endständigen Umfang des zweiten Körpers (oder gegebenenfalls des ersten Körpers), der dem ersten Körper (oder gegebenenfalls dem zweiten Körper) zugewandt ist, Abschnitte mit der vorragenden zweiten Führungsstruktur und Abschnitte ohne zweite Führungsstruktur vorhanden sind. Wenn sich eine zweite Gegenstruktur gegenüber einem Abschnitt mit entsprechender zweiter Führungsstruktur befindet, greifen die Strukturen ineinander und der Abstand zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper wird hierdurch arretiert. Wenn sich die zweite Gegenstruktur des ersten Körpers (oder gegebenenfalls des zweiten Körpers) einem Abschnitt des zweiten Körpers (oder gegebenenfalls des ersten Körpers) gegenübersieht, der keine entsprechende zweite Führungsstruktur aufweist, wird der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Körper hierdurch nicht begrenzt. Die Körper können sich weiter aneinander annähern. In diesem Fall greifen die erste Führungsstruktur und die entsprechende erste Gegenstruktur ineinander, wenn die Körper sich noch weiter einander genähert haben. Die ersten Strukturen greifen also etwas später bei der Annäherung des zweiten Körpers an den ersten Körper, sodass hierdurch eine weitere Ebene (Ebene A) definiert wird. Wenn also die entsprechende zweite Gegenstruktur auf einen Abschnitt mit zweiter Gegenstruktur trifft, wird der Abstand zwischen den Körpern hierdurch festgelegt. Wenn die zweite Gegenstruktur auf einen Abschnitt des anderen Körpers ohne entsprechende zweite Führungsstruktur trifft, wird der Abstand zwischen den Körpern durch die bei geringem Abstand dann greifenden ersten Führungsstrukturen und ersten Gegenstrukturen festgelegt.
Bei der zweiten Führungsstruktur handelt es sich vorzugsweise um eine wellenförmige Profilierung. Bei der entsprechenden zweiten Gegenstruktur handelt es sich vorzugsweise um einen hierzu im Wesentlichen komplementären Vorsprung, der gegengleich in die wellenförmige Profilierung eingreifen kann, wodurch gewissermaßen ein Schlüssel-Schloss-Prinzip realisiert wird. Mit „im Wesentlichen“ ist hierbei gemeint, dass der komplementäre Vorsprung mehr oder weniger passgenau sein kann.
Erfindungsgemäß ist wenigstens eine zweite Führungsstruktur am zweiten Körper oder gegebenenfalls am ersten Körper vorgesehen. Vorzugsweise ist jedoch eine Mehrzahl solcher zweiten Führungsstrukturen angeordnet. Beispielsweise können drei zweite Führungsstrukturen auf dem endständigen Umfang des zweiten Körpers oder gegebenenfalls des ersten Körpers in gleichmäßiger Weise verteilt sein. Vorteilhafterweise sind entsprechend viele Gegenstrukturen vorhanden. Der besondere Vorteil hierbei ist, dass hierdurch eine Instabilität beim Zusammentreffen der Körper vermieden wird, beispielsweise ein Kippen des ersten Revolvers.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet darüber hinaus die Möglichkeit, durch Ergänzung weiterer Führungsstrukturen die relativen Drehbewegungen und Abstände der einzelnen Körper untereinander um weitere Ebenen zu erweitern. So können beispielsweise auf dem zweiten Körper oder dem ersten Körper weitere, dritte Führungsstrukturen (Strukturen C) vorgesehen sein, die im Zusammenspiel mit Gegenstrukturen des jeweils anderen Körpers einen Abstand zwischen den Körpern definieren (Ebene C), der beispielsweise größer als der Abstand zwischen den Körpern bei der Ebene A und der Ebene B ist.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Einrichtungen zum Öffnen von Kavitäten in einem der Körper ausgestattet. Diese Einrichtungen sind beispielsweise auf der Seite des zweiten Körpers angeordnet, die dem ersten Körper zugewandt ist. Besonders geeignet sind hierfür Dorne, die bei entsprechender Positionierung Folien oder andere Sollbruchstellen auf der Unterseite von Kavitäten des ersten Körpers oder gegebenenfalls des zweiten Körpers durchstechen oder aufreißen können. Hierdurch kann in gezielter Weise eine fluidische Kopplung der verschiedenen Kavitäten in den einzelnen Körpern erreicht werden, um so Flüssigkeiten gezielt von einem Reaktionsraum oder einer Vorlagerungskammer in einen anderen Reaktionsraum des nachgeordneten Körpers zu transportieren.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens zwei oder mehr unterschiedliche Einrichtungen zum Öffnen von Kavitäten vorgesehen, insbesondere zwei oder drei unterschiedlich lange Dorne. Hierdurch können die Möglichkeiten für die Verschaltung der einzelnen Kavitäten der Körper untereinander und die gezielte Fluidführung erheblich erweitert werden. So kann beispielsweise ein längerer Dorn vorgesehen sein, der eine darüber liegende Kavität öffnet, wenn die zweite Führungsstruktur des zweiten Körpers oder gegebenenfalls des ersten Körpers und die entsprechende zweite Gegenstruktur des jeweils anderen Körpers ineinandergreifen und den Abstand zwischen den Körpern vorgeben. Weiterhin kann ein kürzerer Dorn vorgesehen sein, der eine darüber liegende Kavität öffnet, wenn die erste Führungsstruktur des ersten Körpers und die entsprechende erste Gegenstruktur des zweiten Körpers in der anderen Ebene ineinandergreifen.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 isometrische Außenansicht eines ersten und eines zweiten Körpers eines kartuschenbasierten Zentrifugalsystems aus dem Stand der Technik;
2A, B schematische Darstellung der Funktionsweise bei einem schrittweisen Verdrehen des zweiten Körpers im Verhältnis zum ersten Körper des Zentrifugalsystems aus 1;
3 weitere schematische Darstellungen zur Erläuterung der Verdrehmechanik aus dem Stand der Technik;
4A, B schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Führungsstrukturen und Gegenstrukturen des ersten und zweiten Körpers gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung;
5A, B isometrische Außenansichten eines ersten und zweiten Körpers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6A, B, C vergrößerte Darstellungen der erfindungsgemäßen Führungsstrukturen aus 4 und
7 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Führungsstrukturen und Gegenstrukturen des ersten und zweiten Körpers gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die folgenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf ein zentrifugal steuerbares System. In entsprechender Weise kann statt einer Zentrifugalkraft, die über eine Beschleunigung und Entschleunigung wirkt, auch eine gleichwirkende Kraft eingesetzt werden, die in vergleichbarer Weise wirkt. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Druckluft oder Vakuum beaufschlagt bzw. betätigt wird. Eine andere Möglichkeit ist die Betätigung mit einer mechanischen Aktuatoreinrichtung, beispielsweise mit einem auslenkbaren Kolbensystem, wobei im Prinzip die gleichen Effekte erzielt werden können.
Anhand der 1 wird die aus dem Stand der Technik an sich bekannte sogenannte Kugelschreibermechanik erläutert. 1 zeigt einen ersten Körper 10 und einen zweiten Körper 20 als Bestandteile eines Zentrifugalsystems aus dem Stand der Technik. Die Körper 10 und 20 sind als drehrunde Revolver ausgestaltet, die innerhalb einer nicht dargestellten Hülse axial übereinander angeordnet sind. Das System ist im Format eines Standard-Zentrifugenröhrchens ausgelegt. Die Revolver 10 und 20 enthalten verschiedene Kanäle, Reaktionskammern und weitere Strukturen für die Durchführung von verschiedenen Einheitsoperationen. Bei dem System werden Flüssigkeiten entlang des Kraftvektors einer wirkenden Zentrifugalkraft von radial innen liegenden Punkten zu radial außen liegenden Punkten transportiert. Hierbei aktivieren Beschleunigungswechsel der Zentrifuge eine integrierte Kugelschreibermechanik (Verdrehmechanik), welche den gezielten Transport und die Umsetzung der Flüssigkeiten bewirkt. Bei dem hier gezeigten Beispiel kann sich der Körper 20 um seine Längsachse drehen, während der Körper 10 mittels einer Fixierungsstruktur 11 und entsprechender Strukturen auf der Innenseite der umgebenden (nicht dargestellten) Hülse am horizontalen Verdrehen gehindert ist. Die Kugelschreibermechanik wird im Wesentlichen von einer gezackten Führungsstruktur 100 am äußeren Umfang des ersten Körpers 10 sowie mehreren Führungsarmen 200 (Gegenstrukturen), die am zweiten Körper 20 angeordnet sind, gebildet. In diesem Beispiel sind vier Führungsarme 200 (zum Teil nicht sichtbar) am zweiten Körper 20 vorgesehen. Die Führungsarme 200 weisen eine abgeschrägte Spitze auf, die in die Führungsstruktur 100 eingreifen kann. Die Führungsarme 200 bilden damit eine Gegenstruktur zu der Führungsstruktur 100. Während der Rotation bewegt sich der zweite Körper 20 entlang der gezackten Führungsstruktur 100 des Körpers 10, wodurch sich die beiden Revolver sequenziell annähern und voneinander entfernen. Es kommt zu einer Auf- und Abwärtsbewegung der beiden Körper 10 und 20 in Relation zueinander. Beim Entschleunigen der Zentrifuge drückt eine in dieser Darstellung nicht gezeigte Feder, auf der beide Körper 10 und 20 gelagert sind, das System entlang der Führungsstruktur 100 nach oben, sodass sich der zweite Körper 20 in diesem Beispiel um eine Achteldrehung verdreht. Die 2A und B verdeutlichen die Funktionsweise dieser Drehmechanik in schematischer Weise. Gezeigt ist der erste Körper 10 als oberer Revolver und der zweite Körper 20 als unterer Revolver. Am unteren Revolver 20 sind zwei Führungsarme 200 als Gegenstrukturen für die gezackte Führungsstruktur 100 des oberen Revolvers 10 vorgesehen. Weiterhin ist auf der Seite des unteren Revolvers, die dem oberen Revolver zugewandt ist, ein Dorn 300 vorgesehen, der für das Aufbrechen einer Siegelfolie auf der Unterseite des oberen Revolvers 10, die eine Kavität (nicht dargestellt) im oberen Revolver 10 verschließt, vorgesehen ist. Während einer Beschleunigung der Zentrifuge werden der obere Revolver 10 und der untere Revolver 20 in Pfeilrichtung nach unten gedrückt, wie es in 2A illustriert ist. Bei einer kritischen Beschleunigung wird der Führungsarm 200 des unteren Revolvers 20 entlang der gezackten Führungsstruktur 100 des oberen Revolvers 10 abgelenkt. Diese Situation ist in 2B gezeigt. Sobald ein kritischer Abstand zwischen dem oberen Revolver 10 und dem unteren Revolver 20 unterschritten wird, durchsticht der Dorn 300 die Siegelfolie auf der Unterseite des oberen Revolvers 10, sodass Flüssigkeit von dem oberen Revolver 10 auf den unteren Revolver 20 übertragen werden kann. Diese Drehmechanik ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 bekannt. Anhand der 3 wird dieser Mechanismus noch näher erläutert. Wichtig hierbei sind neben den Führungsstrukturen 100 des oberen Revolvers und den Führungsstrukturen (Führungsarmen) 200 des unteren Revolvers weitere Führungsstrukturen 400 auf der Innenseite der umgebenden Hülse. Die einzelnen Teilabbildungen der 3 zeigen dabei folgende Positionen: (1) Startposition; (2) (3) eine leichte Beschleunigung drückt den oberen und den unteren Revolver nach unten; (4) oberhalb einer kritischen Beschleunigung wird der Führungsarm 200 des unteren Revolvers unter die gewissermaßen feststehende Führungsstruktur 400 der Hülse gedrückt und verschiebt sich entlang der gezackten Führungsstruktur 100 des oberen Revolvers, was zum Anstechen bzw. Freisetzen von Reagenzien führt; (5) beim Entschleunigen setzt der Führungsarm 200 des unteren Revolvers auf der Führungsstruktur 400 der Hülse auf und wird bei weiterem Entschleunigen entlang dieser verschoben, wodurch es zu einer relativen Drehbewegung des unteren Revolvers kommt; (6) die bei der Entschleunigung wirkende Rückstellkraft ermöglicht dabei eine weitere Verdrehung des unteren Revolvers entgegen dem „Gefälle“ der Führungsstruktur 100 des oberen Revolvers und dabei ein Hochschieben des oberen Revolvers, bis der untere Revolver schließlich bis zum nächsten Anschlag an der Führungsstruktur 400 der Hülse gedreht wird (7) und bei vollständiger Entschleunigung eine der Startposition äquivalente Position erreicht (1‘); der untere Revolver hat sich dabei in Relation zu dem oberen Revolver entsprechend dem Abstand zwischen benachbarten Führungsstrukturen 400 der Hülse verdreht.
Die 4A und B illustrieren die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems in schematischer Weise. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist der obere Revolver 15 eine herkömmliche Führungsstruktur 150 (erste Führungsstruktur, im Folgenden auch als Führungsstruktur A bezeichnet) in Form einer umlaufenden Zackenprofilierung auf. Unterhalb des oberen Revolvers 15 befindet sich der untere Revolver 25 mit der herkömmlichen ersten Gegenstruktur 250 (Gegenstruktur A) in Form von Führungsarmen, wobei in dieser ausschnittweisen Darstellung nur einer der Führungsarme dargestellt ist. Die zusätzlichen Strukturen gemäß der Erfindung werden von der zweiten Führungsstruktur 260 (Führungsstruktur B) am unteren Revolver 25 und der zweiten Gegenstruktur 160 (Gegenstruktur B) am oberen Revolver 15 gebildet. Die zweite Führungsstruktur 260 am unteren Revolver 25 ist nur abschnittsweise auf dem endständigen Umfang des unteren Revolvers 25 vorhanden. Wenn sich die entsprechende zweite Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 in einem Abschnitt mit der zweiten Führungsstruktur 260 des unteren Revolvers 25 befindet (4A), greifen die zweite Führungsstruktur 260 und die zweite Gegenstruktur 160 nach Art eines Schlüssel-Schloss-Prinzips ineinander und der Abstand zwischen dem oberen Revolver 15 und dem unteren Revolver 25 wird auf dieser Ebene (Ebene B) arretiert. Zwischen den Bereichen mit den vorstehenden wellenförmigen zweiten Führungsstrukturen 260 sind Bereiche 261 ohne zweite Führungsstruktur vorgesehen, die gewissermaßen Einschnitte bilden. Beispielsweise können solche Einschnitte 261 in Abständen von 120° auf dem endständigen Umfang des unteren Revolvers 25 vorgesehen sein. Wenn durch einen Beschleunigungswechsel der Zentrifuge der untere Revolver 25 im Verhältnis zum oberen Revolver 15 rotiert und damit das Ineinandergreifen von zweiter Führungsstruktur 260 und zweiter Gegenstruktur 160 wieder gelöst wird, fällt die zweite Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 gewissermaßen in den Einschnitt 261 hinein (4B). Der Abstand zwischen dem oberen Revolver 15 und dem unteren Revolver 25 verringert sich hierbei, sodass die erste Führungsstruktur 150 des oberen Revolvers 15 und die entsprechende erste Gegenstruktur 250 des unteren Revolvers 25 ineinandergreifen können (Ebene A). Auf dieser Ebene A läuft die Drehmechanik entlang der gezackten ersten Führungsstruktur 150. Die von den erfindungsgemäßen zweiten Führungsstrukturen 260 des unteren Revolvers 25 und den entsprechenden zweiten Gegenstrukturen 160 des oberen Revolvers 15 definierte Ebene B legt einen größeren Abstand zwischen dem oberen Revolver 15 und dem unteren Revolver 25 fest. In Anpassung an die unterschiedlichen Ebenen sind unterschiedlich lange Dorne 350 und 360 auf der Oberseite des unteren Revolvers 25 vorgesehen. Der längere Dorn 360 kommt in der Ebene B zum Einsatz, wenn die erfindungsgemäßen zweiten Führungsstrukturen 260 und die zweiten Gegenstrukturen 160 (Strukturen B) zum Tragen kommen (4A). Wenn die zweiten Strukturen 260, 160 ineinandergreifen, kann mittels des längeren Dorns 360 eine Siegelfolie des oberen Revolvers 15 angestochen oder aufgerissen werden. Wenn in der Ebene A die erste Führungsstruktur 150 und erste Gegenstruktur 250 (Strukturen A) ineinandergreifen (4B), kommt der kürzere Dorn 350 zum Einsatz, sodass mittels dieses Dorns 350 eine darüber liegende Siegelfolie des oberen Revolvers 15 angestochen oder aufgerissen werden kann.
Die 5A und B illustrieren den oberen Revolver 15 (erster Körper) und den unteren Revolver 25 (zweiter Körper) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in isometrischer Darstellung. Vergleichbar mit der schematischen Darstellung in 4A und B weist der obere Revolver 15 eine gezackte umlaufende erste Führungsstruktur 150 und der untere Revolver mehrere Führungsarme 250 als erste Gegenstrukturen auf. Die erfindungsgemäßen weiteren, zweiten Führungsstrukturen werden am unteren Revolver 25 durch die wellenförmige zweite Führungsstruktur 260 und am oberen Revolver 15 durch die im Wesentlichen komplementäre zweite Gegenstruktur 160 gebildet. Die zweite Führungsstruktur 260 und die zweite Gegenstruktur 160 greifen bei einem Abstand zwischen dem oberen Revolver 15 und dem unteren Revolver 25 ineinander, bei dem die andere, erste Führungsstruktur 150 und die ersten Gegenstrukturen 250 noch nicht ineinander greifen. Durch die weiteren, zweiten Strukturen 260 und 160 wird damit eine zusätzliche Ebene definiert, die für die Automatisierung verschiedener Prozessierungsschritte genutzt werden kann. Diese zusätzliche Führung durch die zweiten Strukturen 260 und 160 ermöglicht es, den Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Revolver auf mindestens zwei Ebenen zu variieren. 5A zeigt die Position, in der die zweiten Strukturen 160 und 260 (Strukturen B) ineinander greifen. 5B zeigt die Position, in der die ersten Strukturen 150, 250 (Strukturen A) ineinander greifen, wobei die zweite Struktur 160 in einen Abschnitt des unteren Revolvers 25 „fällt“, der zwischen den abschnittsweisen zweiten Strukturen 260 liegt.
Die 6A, B und C zeigen das Prinzip der erfindungsgemäßen Führungsstrukturen der Vorrichtung aus 5 in vergrößerter Detailansicht. Die wellenförmige zweite Führungsstruktur 260 des unteren Revolvers 25 und die zweite Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 (Strukturen B) greifen im Zuge der Annäherung und Verdrehung der beiden Revolver ineinander und definieren einen bestimmten Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Revolver als Ebene B (6A und B). Bei einer weiteren Drehung des unteren Revolvers 25 entgegen dem Uhrzeigersinn (6C) fällt die zweite Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 in einen Abschnitt zwischen einzelnen zweiten Führungsstrukturen 260. In dieser Situation greifen die ersten Strukturen (Strukturen A), nämlich die gezackte erste Führungsstruktur 150 am oberen Revolver 15 und die Führungsarme 250 als erste Gegenstrukturen des unteren Revolvers 25. Von diesen ersten Strukturen (Strukturen A) wird die Ebene A als etwas kleinerer Abstand zwischen den Revolvern 15 und 25 definiert. Der Abstand bei der Ebene B (6A, B) ist um eine bestimmte Höhe größer als der Abstand zwischen den Revolvern 15 und 25 bei der Ebene A (6C).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Erweiterung der an sich bekannten Basis-Kugelschreibermechanik auf eine Mehrfach-Kugelschreibermechanik dar und ermöglicht damit die Umsetzung von sehr komplexen Protokollen. Es kann eine Vielzahl von Reagenzien nacheinander und/oder simultan freigesetzt werden, sodass aufwendige Protokolle mit einer Vielzahl verschiedener Reagenzien und Prozessierungsschritte durchgeführt werden können. Je nach Ausgestaltung bietet das System beispielsweise die Möglichkeit, acht Reagenzien gleichzeitig freizusetzen. Weiterhin können in einer Kartusche mehrere Assays parallel durchgeführt werden.
Die Möglichkeiten, die die erfindungsgemäße Vorrichtung im Hinblick auf die automatisierte Prozessierung von Flüssigkeiten bietet, werden nachfolgend nochmals unter Bezugnahme auf die 4, 5 und 6 näher erläutert, wobei 4 im Prinzip eine schematische Detailansicht der in den 5 und 6 isometrisch dargestellten Vorrichtung zeigt. Die gezackte erste Führungsstruktur 150 und die ersten Gegenstrukturen 250 (Strukturen A) erlauben im Zusammenspiel mit den Führungsstrukturen auf der Innenseite der umgebenden Hülse (nicht dargestellt) im Prinzip eine 16-fache Verdrehung des unteren Revolvers 25. Die erfindungsgemäßen zusätzlichen zweiten Strukturen 260 und 160 (Strukturen B) ändern in dieser Ausgestaltung nichts an der Anzahl der Umdrehungen. Die zweiten Strukturen (Strukturen B) führen jedoch eine weitere Ebene (Ebene B) ein, indem sie die von den Strukturen A vorgegebene Ebene A gewissermaßen blockieren und einen größeren Abstand zwischen den Revolvern festlegen. Durch das geführte Ineinandergreifen der zusätzlichen Strukturen B im Zusammenspiel mit den übrigen Führungsstrukturen, insbesondere auch mit den Strukturen der Hülse, können die schrittweisen Umdrehungen vollzogen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise mit einer Vorrichtung, wie sie in 6 illustriert ist, eine vollständige Rotation des unteren Revolvers 25 im Verhältnis zum oberen Revolver 15 in insgesamt 16 Schritten vollzogen werden, wobei der Abstand zwischen den Revolvern bei 14 Schritten durch die Strukturen B und bei 2 Schritten durch die Strukturen A vorgegeben wird.
4A zeigt die Ebene B, die von der wellenförmigen zweiten Führungsstruktur 260 des unteren Revolvers 25 und der zweiten Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 definiert wird. 4B illustriert die Ebene A, die von der gezackten ersten Führungsstruktur 150 des oberen Revolvers 15 und der entsprechenden ersten Gegenstruktur 250 des unteren Revolvers 25 definiert wird. Beim Wechsel zwischen der Ebene B und der Ebene A verringert sich der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Revolver. Mittels der wellenförmigen zweiten Führungsstruktur 260 (Ebene B) werden beispielsweise 14 Umdrehungen vollführt, wobei mittels des langen Dorns 360 mehrfach Reagenzien aus dem oberen Revolver 15, beispielsweise aus Verlagerungskammern, freigesetzt werden können. Der kurze Dorn 350 sticht hierbei nicht, da der Dorn 350 die Unterseite des oberen Revolvers 15 nicht berührt. Sobald sich der untere Revolver 25 soweit gedreht hat, dass die zweite Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 den Abschnitt 261 erreicht, bei dem keine wellenförmige zweite Führungsstruktur 260 vorhanden ist, fällt die zweite Gegenstruktur 160 des oberen Revolvers 15 in den Einschnitt 261. In dieser Position verringert sich der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Revolver. Bei diesem verringerten Abstand greifen die gezackte erste Führungsstruktur 150 des oberen Revolvers 15 und die erste Gegenstruktur 250 des unteren Revolvers 25 vollständig ineinander (4B). Hierbei wird eine kritische Höhe unterschritten, sodass der kurze Dorn 350 eine Siegelfolie an der Unterseite des oberen Revolvers 15 durchstechen kann. Der kurze Dorn 350 kann beispielsweise in zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen eine Siegelfolie auf der Unterseite des oberen Revolvers 15 durchstechen und auf diese Weise Reagenzien freisetzen.
Für die Stabilität des Systems ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise drei zweite Führungsstrukturen 260 auf dem endständigen Umfang des unteren Revolvers 25 verteilt sind, es werden gewissermaßen drei der Schlüssel-Schloss-Strukturen 260, 160 integriert, sodass insbesondere ein Kippen des oberen Revolvers vermieden wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in besonders vorteilhafter Weise eine 16-fache Drehmechanik auf zwei Ebenen realisiert werden. Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Ebene wird ein Verhaken der Mechanik, wie es bei herkömmlichen Systemen mit einer 16-fachen Drehmechanik auftreten kann, vermieden. Durch die Integration weiterer zusätzlicher Führungsstrukturen kann diese Mechanik noch erweitert werden.
7 illustriert in schematischer Weise ein Beispiel, bei dem im Vergleich mit den beschriebenen Systemen eine zusätzliche Ebene C durch weitere, dritte Führungsstrukturen realisiert wird. Vergleichbar mit dem beispielsweise in 4 gezeigten System weist der obere Revolver 710 eine gezackte erste Führungsstruktur 715 und der untere Revolver 720 eine armförmige erste Gegenstruktur 725 (Strukturen A) auf, die eine Ebene A als bestimmter Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Revolver 710, 720 festlegen. Weiterhin sind auf dem unteren Revolver 720 wellenförmige zweite Führungsstrukturen 726 und auf dem oberen Revolver eine oder mehrere säulenartigen Vorsprünge 716 als zweite Gegenstruktur (Strukturen B) vorgesehen, die eine Ebene B festlegen. Zusätzlich weist der untere Revolver 720 eine weitere wellenförmige dritte Führungsstruktur 736 als weitere Führungsstruktur B (auch als Führungsstruktur C zu bezeichnen) auf, die ebenfalls mit dem Vorsprung 716 wechselwirken kann. Hierdurch wird eine weitere Ebene C festgelegt, die einen Abstand zwischen den Revolvern definiert, der größer als der Abstand bei der Ebene A und der Ebene B ist. In Anpassung an die drei Ebenen sind unterschiedlich lange Dorne 750, 760, 770 auf der Oberseite des unteren Revolvers 720 vorgesehen, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Abstand zwischen den Revolvern zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010003223 A1 [0003, 0024]

Claims

Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten, wobei die Vorrichtung wenigstens einen ersten Körper (15; 710) und wenigstens einen zweiten Körper (25; 720) mit jeweils wenigstens einer Kavität umfasst, wobei die Körper innerhalb einer umgebenden Hülsenstruktur axial übereinander angeordnet sind und in Abhängigkeit von einer Zentrifugalkraft oder einer gleichwirkenden Kraft gegeneinander verdrehbar sind, wobei der erste Körper (15; 710) wenigstens eine erste Führungsstruktur (150; 715) und der zweite Körper (25; 720) wenigstens eine erste Gegenstruktur (250; 725) aufweist und wobei die erste Führungsstruktur und die erste Gegenstruktur zusammenwirken können, wobei durch das Zusammenwirken der ersten Führungsstruktur und der ersten Gegenstruktur eine Annäherung und Entfernung des zweiten Körpers (25; 720) gegenüber dem ersten Körper (15; 710) und im Zusammenspiel mit Führungsstrukturen der umgebenden Hülsenstruktur ein Verdrehen des zweiten Körpers im Verhältnis zum ersten Körper in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft oder der gleichwirkenden Kraft ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste oder zweite Körper (25; 720) wenigstens eine weitere, zweite Führungsstruktur (260; 726, 736) und der zweite oder erste Körper (15; 720) wenigstens eine weitere, zweite Gegenstruktur (160; 716) aufweisen, wobei die weitere, zweite Führungsstruktur und die weitere, zweite Gegenstruktur zusammenwirken können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Führungsstruktur (150; 715) des ersten Körpers (15; 710) und die zweite Führungsstruktur (260; 726, 736) des zweiten Körpers (25; 720) oder des ersten Körpers mit ihren jeweiligen Gegenstrukturen (250, 160; 725, 716) bei unterschiedlichen Abständen zwischen dem ersten und dem zweiten Körper zusammenwirken, wodurch eine mehrstufige Annäherung und Entfernung des zweiten Körpers (25; 720) gegenüber dem ersten Körper (15; 710) in Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft oder der gleichwirkenden Kraft ausgelöst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Führungsstruktur (260; 726, 736) des zweiten Körpers (25; 720) oder des ersten Körpers und die entsprechende zweite Gegenstruktur (160, 716) des ersten Körpers (15; 710) beziehungsweise des zweiten Körpers bei einem größeren Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Körper (15, 25; 710, 720) zusammenwirken als die erste Führungsstruktur (150; 715) des ersten Körpers und die entsprechende erste Gegenstruktur (250; 725) des zweiten Körpers.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Führungsstruktur (260) an dem endständigen Umfang des zweiten Körpers (25) oder des ersten Körpers, der dem ersten Körper (15) beziehungsweise dem zweiten Körper zugewandt ist, angeordnet ist, wobei wenigstens ein Abschnitt mit zweiter Führungsstruktur (260) und wenigstens ein Abschnitt (261) ohne zweite Führungsstruktur vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Führungsstruktur (150) des ersten Körpers (15) und die erste Gegenstruktur (250) des zweiten Körpers (25) dann zusammenwirken, wenn die zweite Gegenstruktur (160) des ersten Körpers oder des zweiten Körpers sich an einem Abschnitt (261) des zweiten Körpers beziehungsweise des ersten Körpers ohne zweite Führungsstruktur befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Führungsstruktur (260; 726, 736) eine wellenförmige Profilierung aufweist, wobei vorzugsweise die entsprechende zweite Gegenstruktur (160; 716) ein im Wesentlichen komplementärer Vorsprung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von zweiten Führungsstrukturen (260) und vorzugsweise eine Mehrzahl von entsprechenden zweiten Gegenstrukturen (160) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem zweiten Körper (720) oder dem ersten Körper wenigstens eine weitere, dritte Führungsstruktur (736) vorgesehen ist, die im Zusammenspiel mit einer Gegenstruktur (716) des ersten Körpers (710) beziehungsweise des zweiten Körpers einen Abstand zwischen dem ersten Körper (710) und dem zweiten Körper (720) definiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper (25; 720) oder der erste Körper auf der Seite, die dem ersten Körper (15; 710) beziehungsweise dem zweiten Körper zugewandt ist, Einrichtungen (350, 360; 750, 760, 770) zum Öffnen von Kavitäten des anderen Körpers aufweist, wobei vorzugsweise wenigstens zwei oder mehr unterschiedliche Einrichtungen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Öffnen von Kavitäten Dorne zum Durchstechen von Membranen sind, wobei vorzugsweise unterschiedlich lange Dorne (350, 360; 750, 760, 770) vorgesehen sind.