DE102010054879B4 - Arrangement and method for conditioning fluid compartments - Google Patents
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Abstract
Konditionieranordnung für Fluide in Kompartimenten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidleiter (3) vorgesehen ist, der mit Transportfluid (13) gefüllt ist, dass im Transportfluid mindestens zwei konzentrisch ineinander geschachtelte Fluidleiter (1) (2) enden, die jeweils mit einem Probenfluid (11) und mindestens einem Konditionierfluid (12) gefüllt sind, dass das Transportfluid (13) sowohl mit dem Probenfluid (11) als auch mit dem Konditionierfluid (12) nicht mischbar ist und dass steuerbare Flussquellen (41) (42) (43) jeweils für das Transportfluid (13), das Probenfluid (11) und das Konditionierfluid (12) vorhanden sind.Conditioning arrangement for fluids in compartments, characterized in that a fluid conductor (3) is provided, which is filled with transport fluid (13), that in the transport fluid at least two concentric nested fluid conductors (1) (2) terminate, each with a sample fluid ( 11) and at least one conditioning fluid (12) are filled, that the transport fluid (13) is immiscible with both the sample fluid (11) and the conditioning fluid (12) and that controllable flow sources (41) (42) (43) respectively for the transport fluid (13), the sample fluid (11) and the conditioning fluid (12) are present.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Konditionierung von Kompartimenten. Kompartimente sind durch Oberflächenspannung gebildete stabile Mikrosphären aus einem beispielsweise gasförmigen oder flüssigen Medium, die Probenmaterial wie beispielsweise anorganische und/oder organische Substanzen in beliebigen Aggregatzuständen, bioaktive Moleküle oder auch Zellen oder Mikroorganismen oder Partikel enthalten und die durch einen mit den Mikrosphären nicht mischbaren Transportfluid beispielsweise zum Zweck des Manipulierens, des Speicherns und des Auswertens transportiert und separiert werden.The invention relates to an arrangement for the conditioning of compartments. Compartments are stable microspheres formed by surface tension from, for example, gaseous or liquid medium containing sample material such as inorganic and / or organic substances in arbitrary states of aggregation, bioactive molecules or even cells or microorganisms or particles, and by a transport fluid immiscible with the microspheres, for example be transported and separated for the purpose of manipulating, storing and evaluating.
Durch das Vereinzeln der Zellen bzw. Mikroorganismen in jeweils einer eigenen Mikrosphäre werden Querkontaminationen ausgeschlossen, und es kann eine individuelle Behandlung mit jeweils speziellen Effektoren, aber auch beispielsweise Viren oder eine gezielte Selektion von einzelnen Kompartimenten erfolgen. Ein Kompartimentieren ist deshalb immer dann vorteilhaft, wenn eine große Anzahl von Ansätzen (Proben) notwendig ist, um eine Optimierung von Reaktionsansätzen zu erhalten oder um viele Faktoren unabhängig voneinander auf vergleichbare Kompartimente statistisch abgesichert zu testen. Ein Kompartimentieren ist aber auch dann vorteilhaft, wenn einzelne oder wenige Proben detektiert werden müssen. Die gasförmigen oder flüssigen Mikrosphären bleiben von der Umwelt abgeschlossen, was einen Vorteil gegenüber konventionellen Zellmanipulationssystemen darstellt, da keine arbeitsschutztechnischen Risiken entstehen können.By separating the cells or microorganisms into their own microsphere, cross-contamination is ruled out, and individual treatment with specific effectors in each case, but also, for example, viruses or targeted selection of individual compartments, can take place. A compartmentalization is therefore always advantageous when a large number of approaches (samples) is necessary in order to obtain an optimization of reaction mixtures or to test many factors independently of each other statistically to comparable compartments. However, compartmentalization is also advantageous if individual or few samples have to be detected. The gaseous or liquid microspheres remain closed to the environment, which is an advantage over conventional cell manipulation systems, since no occupational health and safety risks can arise.
Anordnungen zum Erzeugen und Manipulieren von Kompartimenten sind bekannt. In der Veröffentlichung GRODRIAN, METZE, HENKEL, ROTH, KÖHLER „Segmented flow generation by chip reactors for highly parallelized cell cultivation” /Proceedings of SPIE Vol. 4937 (2002)/ wurde vorgeschlagen, Tröpfchen mit eingeschlossenen Mikroorganismen zu erzeugen, die durch eine mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit z. B. Silicon-Öl getrennt sind. Auf diese Weise lässt sich eine Vielzahl von Tröpfchen mit jeweils separierten Mikroorganismen erzeugen und durch einen Schlauch fortbewegen. Die mechanische Belastung der Mikroorganismen bei der Vereinzelung ist vergleichsweise gering.Arrangements for creating and manipulating compartments are known. In the publication GRODRIAN, METZE, HENKEL, ROTH, KÖHLER "Segmented flow generation by chip reactors for highly parallelized cell cultivation" / Proceedings of SPIE Vol. 4937 (2002) / has been proposed to produce droplets with trapped microorganisms by a with Water immiscible liquid z. B. silicone oil are separated. In this way, a plurality of droplets, each with separated microorganisms can be generated and move through a tube. The mechanical load on the microorganisms during separation is comparatively low.
In der deutschen Patentanmeldung
Nachteil bekannter Systeme ist, dass für die Erzeugung und die Manipulation von Kompartimenten mit Durchmessern von 0,05 mm bis 1 mm mikrofluidische Systeme mit präzise gefertigten Kanalstrukturen verwendet werden müssen. Zudem stellt die Abdeckung von Kanälen in einem Kanalkörper durch einen Deckel hohe Anforderungen an die Verbindungstechnologie.A disadvantage of known systems is that microfluidic systems with precisely fabricated channel structures must be used for the production and manipulation of compartments with diameters of 0.05 mm to 1 mm. In addition, the coverage of channels in a channel body by a lid makes high demands on the connection technology.
In der Schrift
Ein weiterer Nachteil bekannter Anordnungen ist, dass bei Veränderung des Fluids in der das organische Material umgebenden Mikrosphäre relativ zum Gesamtvolumen des Kompartiments nur kleine Mengen eines Titrationsfluids zugesetzt werden können, ohne das Gesamtvolumen des Kompartimentes wesentlich zu verändern. Eine Vergrößerung des Kompartimentvolumens bedingt jedoch den Nachteil, dass sich die fluidischen Eigenschaften des Kompartimentes ändern, was zusätzliche Probleme zum Beispiel bei fluidischen Weichen hervorruft und zusätzlich eine Auswertung des Inhaltes des Kompartimentes erschwert. Außerdem wird durch die Volumenzunahme des Kompartiments ein längeres Kanalsystem benötigt, was zum einen die Druckverhältnisse im Kanalsystem verändert und zum anderen zusätzliche Kosten verursacht.A further disadvantage of known arrangements is that when the fluid in the microsphere surrounding the organic material is changed relative to the total volume of the compartment, only small amounts of a titration fluid can be added without significantly changing the total volume of the compartment. An enlargement of the compartment volume, however, entails the disadvantage that the fluidic properties of the compartment change, which causes additional problems, for example in the case of fluidic points, and additionally makes evaluation of the contents of the compartment more difficult. In addition, the volume increase of the compartment requires a longer duct system, which on the one hand changes the pressure conditions in the duct system and on the other causes additional costs.
Für bestimmte Anwendungen beispielsweise dem Screening von Wirkstoffen ist es jedoch erforderlich, die Zusammensetzung des Mediums erheblich zu verändern und/oder eine Reaktion zwischen dem Fluid der Mikrosphäre und des Titrationsfluids zu initiieren. Soll beispielsweise die Konzentration des organischen Materials im Kompartiment verändert werden, so kann das zwar, wie in der Anordnung nach
Ein Beispiel für die Notwendigkeit einer Konditionierung durch Konzentrationsänderung im Kompartiment ist das Wirkstoffscreening für die Pharmaindustrie (DESHPANADE et al. ”Microplates with integrated Oxygen sensors for kinetic cell respiration measurement and cytotoxicity testing in primary and secondary cell lines”/Assay Drug Dev. Technol. (2005), 3(3):299–307/). Vor dem Hintergrund der REACH-Verordnung werden zellbasierte Toxizitätstests, die High-Throughput-Techniken voraussetzen, weiter an Bedeutung gewinnen. Ein High-Throughput-Assaysystem, basierend auf konditionierten Kompartimenten im segmentierten Fluss, ist dafür hervorragend geeignet, lässt sich aber auch an weitere im Folgenden genannte Applikationen adaptieren:
- • Biomedizin (Materialtestung),
- • Individualmedizin (Pharmakaoptimierung, Therapieanpassung),
- • Lebensmittelindustrie (Rückstandsanalytik von z. B. Pestiziden),
- • Landwirtschaft (Pestizidsverträglichkeit, -Optimierung).
- • biomedicine (material testing),
- • Individual medicine (drug optimization, therapy adaptation),
- • food industry (residue analysis of eg pesticides),
- • Agriculture (pesticide compatibility, optimization).
Ein klassisches Beispiel ist auch das Enzymscreening, insbesondere falls sehr teure oder nur in kleinen Mengen verfügbare Substrate oder Enzyme verwendet werden.A classic example is also the enzyme screening, especially if very expensive or only in small quantities available substrates or enzymes are used.
Ein weiterer Nachteil einer Anordnung, bei der zunächst Kompartimente erzeugt werden, in die nachfolgend Titrationsfluide injiziert werden, besteht darin, dass dabei auch eine geringe Menge an Transportfluid die Kompartimente gelangen kann. Das Transportfluid kann für das Zellmaterial nachteilig sein. Es besteht die Gefahr, dass Zellen beschädigt oder gar abgetötet werden. Aus den gleichen Gründen wurde versucht, die Phasengrenze zwischen dem Fluid im Kompartiment und dem Transportfluid sich nicht nur durch Oberflächenspannung ausbilden zu lassen, sondern auch durch Aushärtung einer dünnen Grenzschicht. Auch in diesem Fall ist es unzweckmäßig, diese Grenzschicht zu penetrieren, um beispielsweise ein Titrationsfluid in das Innere des Kompartimentes zu injizieren.A further disadvantage of an arrangement in which initially compartments are generated, into which subsequently titration fluids are injected, is that even a small amount of transport fluid can reach the compartments. The transport fluid may be detrimental to the cell material. There is a risk that cells will be damaged or even killed. For the same reasons, attempts have been made to make the phase boundary between the fluid in the compartment and the transport fluid not only by surface tension, but also by curing a thin boundary layer. Also in this case, it is impractical to penetrate this boundary layer, for example, to inject a titration fluid into the interior of the compartment.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem gleichzeitig zur Erzeugung des Kompartimentes auch eine Konditionierung der Fluide innerhalb des Kompartimentes erfolgt.The object of the present invention is to propose an arrangement and a method in which, at the same time as the generation of the compartment, a conditioning of the fluids within the compartment takes place.
Die Aufgabe wird durch die Verwendung von mindestens drei ineinander geschachtelten Fluidleitern zum Ausbilden voneinander getrennter Fluidpfade gelöst, wobei jedem Fluidleiter durch eine steuerbare Flussquelle ein Fluss eines bestimmten Fluids aufgeprägt wird, und die Fluidleiter mit dem anderen Ende in einen anderen Fluidleiter enden, der für die Ableitung des Kompartimentenstroms vorgesehen ist. Weitere Merkmale der vorteilhaft ausgestalteten Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved by the use of at least three nested fluid conductors for forming separate fluid paths, wherein each fluid conductor is impressed by a controllable flow source, a flow of a certain fluid, and the fluid conductor ends with the other end in another fluid conductor, which for the Derivation of the compartments stream is provided. Further features of the advantageously configured invention can be found in the dependent claims.
Wesentliche Vorteile der Erfindung gegenüber herkömmlichen High-Throughput-Techniken (z. B. Pipettierroboter) sind:
- • einfacher technischer Aufbau,
- • kostengünstig als „Disposable” realisierbar,
- • geschlossenes System verhindert Verdunstung der Fluide und gewährleistet hohen Arbeitsschutz,
- • gleiche Volumina der Kompartimente und gleiche Abstände zwischen den Kompartimenten gewährleisten Schutz vor Querkontaminationen auch bei langer Lagerung
- • einfache Kopplung mit Schlauchspeichern, Analytik- und Fluidmanipulationsmodulen.
- • simple technical structure,
- • economically feasible as "disposable",
- • closed system prevents evaporation of fluids and ensures high safety at work,
- • equal volumes of compartments and equal spacing between compartments ensure protection against cross-contamination even during long storage
- • easy coupling with hose storage, analysis and fluid manipulation modules.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained with reference to an embodiment. Show it:
Im kontinuierlichen Fluss ist das Kompartimentvolumen vorrangig von der Geometrie der Fluidleiter
Die Erzeugung der Flüsse Φ1 bis Φ3 erfolgt durch Pumpen, deren Förderleistung weitgehend unabhängig von Druckschwankungen in den Kanälen
In einer anderen Ausführungsvariante werden die Flüsse Φ1 und Φ2 zeitversetzt zu dem Fluss Φ3 gepulst. Während der Fluss Φ3 des Transportfluids
Der Fluidleiter
In
Besitzt das Probenfluid
Zur Vermeidung einer Berührung des Probenfluids
Da zunächst das Probenfluid
In einer weiteren Ausführungen der Erfindung kann die chemische Reaktion zwischen Probenfluid
In
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Konditioniersonde, wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Innerer FluidleiterInner fluid conductor
- 22
- Mittlerer FluidleiterMedium fluid conductor
- 33
- Äußerer FluidleiterOuter fluid conductor
- 44
- Leiter für KompartimentenstromHead of compartment stream
- 55
- Kompartimentcompartment
- 66
-
Durchführungsdichtung
1 Grommet 1 - 77
-
Durchführungsdichtung
2 Grommet 2 - 88th
- Anschlussdichtungport seal
- 99
- Vermischungszonemixing zone
- 1010
- 1111
- Probenfluidsample fluid
- 1212
- Konditionierfluidconditioning fluid
- 1313
- Transportfluidtransport fluid
- 1414
- Kolloidkörper (Gelatine)Colloid body (gelatin)
- 1515
- Mediumfluidmedium fluid
- 1616
- 1717
- Stirnfläche des inneren FluidleitersFace of the inner fluid conductor
- 1818
- Stirnfläche des mittleren FluidleitersFace of the middle fluid conductor
- 1919
- MediumfluidleiterMedium fluid conductor
- 2020
- Sondenkörperprobe body
- 2121
- Schlauchanschlusshose connection
- 2222
- Schlauchanschlusshose connection
- 2323
- Schlauchanschlusshose connection
- 2424
- Abgangsschlauchoutlet hose
- 2525
- Innenkanüleinner cannula
- 2626
- UmhüllungskanüleServing cannula
- 2727
- O-RingO-ring
- 2828
-
rohrförmiger Teil des Sondenkörpers
20 tubular part of theprobe body 20 - 2929
- 3030
- KonditioniersondeKonditioniersonde
- 3131
- Laserdiodelaser diode
- 3232
- Fototransistorphototransistor
- 3333
- 3434
- 3535
- 3636
- 3737
- 3838
- 3939
- Konditioniermodulconditioning module
- 4040
- FluidmanipulationsmodulFluid handling module
- 4141
- DosierspritzeDosierspritze
- 4242
- DosierspritzeDosierspritze
- 4343
- DosierspritzeDosierspritze
- 4444
- Verbindungsschlauchconnecting hose
- 4545
- Verbindungsschlauchconnecting hose
- 4646
- Verbindungsschlauchconnecting hose
- 4747
- Schlauchkupplunghose coupling
- 4848
- Analytikmodulanalytics module
- 4949
- 5050
- Schlauchspeicherhose storage
- 5151
- Schrittmotorstepper motor
- 5252
- Schrittmotorstepper motor
- 5353
- Schrittmotorstepper motor
- 5454
-
55A Kupplung,55B Kupplung55A Clutch,55B clutch
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