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WO2003019158A2 - Thermo-optisches analysesystem für biochemische reaktionen - Google Patents

Thermo-optisches analysesystem für biochemische reaktionen Download PDF

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WO2003019158A2
WO2003019158A2 PCT/EP2002/009340 EP0209340W WO03019158A2 WO 2003019158 A2 WO2003019158 A2 WO 2003019158A2 EP 0209340 W EP0209340 W EP 0209340W WO 03019158 A2 WO03019158 A2 WO 03019158A2
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WO
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reaction
electromagnetic radiation
chambers
reaction device
opening
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PCT/EP2002/009340
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Inventor
Daniel BÄCHI
Original Assignee
Bestmann, Lukas
Dual, Jürg
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Publication date
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Priority to AU2002333497A priority patent/AU2002333497A1/en
Priority to US10/485,819 priority patent/US7521179B2/en
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Publication of WO2003019158A3 publication Critical patent/WO2003019158A3/de

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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/0332—Cuvette constructions with temperature control
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    • B01L2300/1822—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using Peltier elements

Definitions

  • the present invention relates to a thermo-optical analysis system which is particularly suitable for carrying out and evaluating biochemical reactions.
  • PCR polymerase chain reaction
  • the PCR is described, for example, in US-4,683,195, US-4,683,202, US-4,800,159 and US-4,695,188.
  • the principle of the PCR can be summarized as follows: A polymerase enzyme for catalyzing the amplification reaction, deoxy-ribonucleotide triphosphates (dNTPs) as building blocks of the polynucleotides to be synthesized and oligonucleotide primers for triggering the reaction are added to a reaction mixture with the polynucleotide to be amplified and possibly other substances such as buffers. This reaction mixture is then subjected to a temperature cycle at which the mixture is brought to a defined temperature for a certain period of time.
  • dNTPs deoxy-ribonucleotide triphosphates
  • a common temperature cycle consists of first reacting the reaction mixture for a certain period (s to min) to a temperature in the range of 90-100 ° C, then for a certain period of time to a temperature in the range of 40-80 ° C, and finally that Bring the mixture to a temperature of around 70-75 ° C for a certain period of time.
  • the polynucleotide is denatured, the primers that trigger the polymerase reaction adhere, and the polymerase reaction itself.
  • This temperature cycle is repeated until a desired amount of polynucleotide is present in the mixture.
  • additional steps can be carried out, for example for cleaning the polynucleotide.
  • the amplified nucleic acid (eg DNA or RNA) can then be detected using known techniques.
  • a number of methods are described which are based, for example, on optical principles such as fluorescence measurement or on labeling the polynucleotide with radioactive substances.
  • US Pat. No. 5,589,136 and US Pat. No. 5,639,423 describe a microreactor for carrying out chemical reactions.
  • This reactor comprises a reaction chamber with an opening through which a reaction mixture to be amplified can be introduced into the reactor.
  • the reaction chamber is made of doped polysilicon and raw silicon to ensure controlled heating and cooling.
  • the reaction chamber also includes windows made of silicon nitride.
  • a heating device is arranged in the reactor opposite one of these windows. It is described that the detection can take place in a corresponding device perpendicular to the light source.
  • this system is complex. In order to carry out several processes at the same time, several separate reaction chambers have to be introduced into a reaction and detection device.
  • a reaction vessel for, for example, PCR is described in US Pat. No. 5,958,349.
  • This reaction vessel comprises two large areas for fast temperature transfer. Overall, the vessel has a triangular shape. Due to the smaller areas of the vessel, electromagnetic radiation can be introduced or read into the vessel. Multi-chamber systems for PCR and subsequent detection are known.
  • the Perkin Elmer 7700 device the 96 holes of a microtiter plate are excited by a single optical fiber. However, this must be done using complex mechanics.
  • Röche's LightCycler individual sample capillaries are sequentially subjected to a fluorescence measurement. The sample capillaries must be rotated past the excitation and detection unit.
  • the system according to the invention for carrying out chemical reactions comprises a reaction device which can be inserted into a device with optical devices and a control unit.
  • the reaction device can be filled outside or inside the device with the reaction mixture to be processed and analyzed. If the reaction device is not already in the device, the reaction device is introduced into the device after filling in order to carry out the chemical reaction and to analyze the reaction product.
  • Fig. 6 A schematic view of the structure of an embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 7 A schematic view of the structure of a further embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 8 The temperature cycle carried out in Example 1.
  • Fig. 9 The graph of the negative first derivative (-dF / DT) of the fluorescence measurement curve according to Example 1 for the reaction mixture with DNA of the bacterium Escherichia coli.
  • Fig. 10 The graph of the negative first derivative (-dF / DT) of the fluorescence measurement curve according to Example 1 for the reaction mixture with DNA of the bacterium Streptococcus pneumoniae.
  • the invention relates to a reaction device comprising a sample chamber matrix (1) containing at least two reaction chambers (2), the top surfaces of which and the side walls facing a light source (24, 25) or an adjacent reaction chamber are permeable to electromagnetic radiation in a region required for fluorescence measurement ; and at least one opening (3).
  • the light sources are selected such that they emit electromagnetic radiation with a wavelength of including 400 nm up to and including 700 nm.
  • lasers as light sources which emit electromagnetic radiation suitable for exciting fluorescence emission.
  • the reaction device provides a multi-chamber system which enables chemical reactions in several chambers to be carried out simultaneously and the chamber contents of several chambers to be detected in a simple manner.
  • the reaction chambers can be heated quickly, controlled and precisely with the help of the integrated heating device and / or temperature measuring device.
  • the provision of an integrated cooling device (13) also enables the reaction device and the reaction mixtures to be cooled quickly and precisely.
  • the present invention furthermore comprises an apparatus for carrying out and detecting chemical reactions, comprising a) at least two light sources which emit electromagnetic radiation in an area required for fluorescence measurement; b) a detection unit for detecting electromagnetic radiation in an area required for fluorescence measurement, this unit being arranged at right angles to the at least two light sources; c) a control unit comprising a central unit for controlling the temperature and the at least two light sources and a signal processing unit for receiving and processing a signal from the detection unit; d) an opening for receiving the above reaction device, the reaction device being located in the plane of the at least two light sources and below the detection unit.
  • This device can be used, for example, to carry out a method for carrying out a reaction which can be evaluated fluorometrically, comprising the steps of a) providing reaction mixtures which contain fluorescent constituents or are formed during the chemical reaction; b) carrying out the chemical reaction by setting at least one reaction temperature in the reaction mixtures; c) excitation of the reaction mixtures by electromagnetic radiation in a range required for fluorescence measurement; d) fluorometric evaluation of the reaction mixtures by measuring the emitted fluorescent radiation; characterized in that in step c) at least two reaction mixtures are simultaneously excited by the electromagnetic radiation and in step d) the emitted fluorescent radiation of these reaction mixtures is simultaneously detected and evaluated.
  • reaction mixtures in step c) are excited with electromagnetic radiation of different intensities, so that the intensity of the fluorescence radiation emitted by the reaction mixtures is different and the reaction mixtures can be evaluated selectively on the basis of different signal intensities.
  • Another possibility according to the invention for the selective evaluation of the content of a reaction chamber consists in selecting reaction mixtures with fluorescent constituents which emit fluorescent radiation at different frequencies, so that the reaction mixtures can be evaluated selectively on the basis of different signal frequencies.
  • the sample chamber matrix (1) comprises at least two reaction chambers (2). In the embodiment shown in FIG. 1, four reaction chambers (2) are provided for the sample chamber matrix (1).
  • the number of reaction chambers in the sample chamber matrix is fundamentally limited only by the physical parameters of the system according to the invention (signal-to-noise ratio of the received signal, focusing of the incident and emitted light). According to the invention, it is preferred to provide 2 to 16 reaction chambers (2), in particular at least three reaction chambers (2) in the sample chamber matrix (1) in order to enable the simultaneous processing and analysis of a test sample, a positive sample and a negative sample.
  • a number of reaction chambers (2), which form a square array of reaction chambers (2), or a single row of reaction chambers (2) is preferred for manufacturing reasons.
  • the reaction device provides a multi-chamber system which enables the chamber contents to be detected in a simple manner.
  • the reaction chambers (2) are arranged in vertical and horizontal rows relative to one another.
  • the reaction chambers (2) are illuminated by two rows of light sources arranged at right angles to one another (2 in the case of FIG. 1). With such an arrangement, the individual reaction chambers (2) can be selectively illuminated as described below. A further discussion of the arrangement of the light sources and the detection takes place below with reference to FIG. 5.
  • Adjacent reaction chambers (2) in the sample chamber matrix (1) can each be connected to one another by a side wall. As mentioned above, since this side wall is permeable to electromagnetic radiation in an area required for fluorescence measurement, the electromagnetic radiation radiated into the first chamber passes through the common wall into the subsequent second chamber if the adjacent chambers are in a row with respect to a light source are arranged.
  • a free space between adjacent reaction chambers (2) in the sample chamber matrix (1) there is also possible for there to be a free space between adjacent reaction chambers (2) in the sample chamber matrix (1).
  • devices can be provided which change, for example weaken, or prevent passage of the incident light from the first chamber into the adjacent second chamber.
  • Such a device can be, for example, filters or air channels.
  • a device in the free space by which the incident radiation is amplified can be mirrors or prisms.
  • the sample chamber matrix (1) has at least one opening (3).
  • the reaction chambers (2) can be filled or vented through this opening (3).
  • the reaction chambers (2) are connected to the opening (3) via channels (4) which are also in the sample chamber matrix.
  • a plurality of openings (3) can be provided to either allow separate filling and venting of all reaction chambers (2) or to fill or vent the reaction chambers (2) independently of one another.
  • all reaction chambers (2) are connected by channels (4) to an opening (3).
  • controllers can be provided in the channels (4), through which certain channels can be opened or closed.
  • the reaction chambers are preferably dimensioned in such a way that they can accommodate reaction mixtures with a volume in the range from 100 nl up to and including 2 ⁇ l.
  • one or more of the reaction chambers (2) can already contain one or more chemical substances before they are additionally filled with the reaction mixture to be processed and analyzed via the opening (s) (3).
  • These are preferably chemical dry substances, for example solids or freeze-dried substances. With the help of these additional substances, it is possible to treat the reaction mixture to be processed and analyzed differently in different reaction chambers (2) and in this way to determine different parameters of the reaction mixture.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of an embodiment of the reaction device according to the invention.
  • a sample chamber matrix (1) with reaction chambers (2), an opening (3) and channels (4) for connecting the opening (3) to the reaction chambers (2) is in a body (1 ') formed, which is transparent to electromagnetic radiation in a range required for fluorescence measurement.
  • This body (1 ') is preferably a shaped piece made of glass.
  • other materials that are transparent to electromagnetic radiation in a range required for fluorescence measurement can also be used.
  • plastic materials such as acrylic glass or polycarbonate may be mentioned.
  • the corresponding parts (2) to (4) can be mechanically worked into the body (1 '), for example by cutting.
  • parts (2) to (4) are preferably incorporated chemically by etching the body (1 ').
  • the body (1 ') preferably has a thickness of 500-600 ⁇ m.
  • the reaction chambers (2) are incorporated in such a way that a side wall consisting of the material of the body (1 ') is present between adjacent reaction chambers.
  • the body (1 ') with the sample chamber matrix (1) is connected to a layer (6) made of a heat-conducting material via a thin layer (5) made of elastic plastic, for example a rubber-like material such as silicone rubber.
  • the layer (6) should have the best possible thermal conductivity, since the heat generated in the heating layer (8) is transferred to the reaction chambers (2) via the layer (6).
  • the layer (6) preferably consists of silicon or around heat-conductive silicon compounds. According to the present invention, the layer (6) preferably has a maximum thickness of 500 ⁇ m.
  • the layer (6) is connected via a thin layer (7) to a layer (1 1) made of insulating material.
  • the layer (7) ensures the connection of the layer (6) to the layer (11) without significantly influencing the heat transfer within the reaction device.
  • the layer (7) consists of an adhesive.
  • the exact nature of the layer (7) can be selected by the person skilled in the art on the basis of the materials of the layers to be connected in a simple manner according to his specialist knowledge.
  • a UV-curable adhesive for example an acrylic-based plastic, can be used as the material for the layer (7) to connect a layer (6) of silicon with a layer (11) of glass.
  • the heating layer (8) serves to heat the reaction chambers (2).
  • the heating layer (8) is explained in more detail below with reference to FIG. 3. It forms a heating device and / or temperature measuring device integrated in the reaction device.
  • the reaction chambers (2) can be controlled and precisely heated with the aid of the integrated heating device and / or temperature measuring device. In this case, the entire reaction device is not heated, but only the part located above the integrated heating device and / or temperature measuring device. This allows the reaction chambers (2) to be heated up much more quickly and precisely than conventional systems.
  • the heating layer (8) is arranged on the surface of the layer (1 1). According to the invention, the layer (8) is preferably made of a metal, for example copper or a noble metal such as platinum.
  • layer (8) preferably has a thickness of 500 nm-1 ⁇ m.
  • the contacts (9) of the heating device and the contacts (10) of the temperature measuring device are also arranged in the heating layer (8). These contacts are used to establish a connection between the reaction device and the control unit of the rest of the device when the reaction device is inserted into the device. 2, two contacts (9) and (10) are shown.
  • the present invention is not limited to this number of contacts.
  • the type of contacts can easily be selected by the specialist on the basis of the exact requirements. For example, it can prove to be advantageous in some cases to design the contacts as contact springs.
  • the heating layer (8) is partially formed on the surface of the layer (11).
  • the layer (1 1) consists of a heat insulating material, for example glass. This prevents the heat generated in the layer (8) from being transferred to areas of the reaction device other than the reaction chambers (2).
  • the layer (1 1) preferably has a thickness of 500 ⁇ m-2 mm.
  • the layer (1 1) is on a carrier (12).
  • This carrier (12) is made from a material conventionally used for this purpose.
  • a cooling device (13) for cooling the reaction device is arranged below the carrier (12). According to the invention, any cooling device (13) conventionally used for such applications can be used.
  • a Peltier cooling element is preferably used as the cooling device (13). By providing an integrated cooling device (13), a rapid and precise cooling of the reaction device is also possible.
  • the at least one opening (3) is preferably closed after the reaction mixture has been filled in, in order to prevent contamination of the reaction mixture.
  • a closure flap (14) is shown in FIG. 2.
  • a block (15) is attached to the underside of the closure flap (14).
  • This block (15) consists of a material with the lowest possible thermal conductivity.
  • the reaction device is thermally decoupled from the environment. Precise control of the temperature in the on chambers (2) can thus be guaranteed.
  • a layer (16) for sealing the opening (3) is applied to the surface of the block (15) facing the opening (3).
  • This layer (15) can be made of any conventional sealing material, for example rubber. It must ensure that no liquid or gas can escape from the reaction chambers (2) even at elevated temperatures.
  • FIG. 3 shows a schematic view of an embodiment of the heating device (8a) and temperature measuring device (8b) of the reaction device according to the invention.
  • the heating device (8a) and temperature measuring device (8b) are arranged in the heating layer (8) as explained above.
  • the heating device (8a) and temperature measuring device (8b) are each designed as resistors. They are arranged in the form of loop-shaped conductor tracks on or in the heating layer (8). If the heating device (8a) is a heating resistor, it should be made of a material with the lowest possible resistance. On the other hand, the temperature measuring device (8b), if it is designed as a resistor, should be made of a material with the greatest possible resistance.
  • These conductor tracks are preferably made of a metal, for example copper or a noble metal such as platinum.
  • the heating device (8a) and temperature measuring device (8b) are particularly preferably made of the same material, for example copper or a noble metal such as platinum. This is preferred for manufacturing reasons. In this case, the material used represents a compromise between the different requirements outlined above.
  • the heating device (8a) and temperature measuring device (8b) can be formed in the heating layer (8) by customary methods, for example by etching.
  • the conductor tracks, which form the heating resistor (8a) or the temperature measuring resistor (8b), end in the respective contacts (9) and (10). When the reaction device is inserted into the rest of the device, the heating resistor (8a) and the temperature measuring resistor (8b) are connected to the control unit via the contacts (9) and (10).
  • reaction device in which different parts of the reaction device tion can be controlled with separate heating devices. This enables selective and controlled heating of individual parts of the reaction device.
  • the reaction device can contain a coding.
  • This coding contains the information as to whether and for which chemical reaction or target the reaction device is specifically provided. This is useful, for example, if additional chemical substances are specified in the reaction chambers.
  • the reaction device can be produced by conventional methods known to those skilled in the art.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the reaction device according to the invention, in which the reaction device is arranged in a housing (19).
  • the housing (1 9) is connected to a closure flap (1 7) via a joint (18).
  • the block (15) and the sealing layer (16) described above are attached to the underside of the closure flap (17).
  • the opening (4) of the sample chamber matrix (1) is closed by the block (15) and the sealing layer (16).
  • the closure flap (1 7) there is also a window made of a material that is permeable to electromagnetic radiation in an area required for fluorescence measurement, or an opening (20).
  • the window or the opening (20) is located directly above the reaction chambers (2).
  • electromagnetic radiation from the reaction chambers (2) can radiate through the window or the opening (20) into a detection unit located above the window or the opening (20).
  • the closure flap (17) can be fixed by the holder (21).
  • the fixation can be done in any conventional way.
  • the bracket (21) is movably mounted in the joint (23).
  • the holder (21) is held under tension by a spring (22). This tension fixes the closure flap (17) when it is pressed under the holder (21).
  • the reaction device is connected to the housing (19) via the cooling device (13). In this way, heat generated in the reaction device can be released to the housing (19) via the cooling device (13).
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of an embodiment of the device according to the invention for carrying out and evaluating chemical reactions.
  • the device has an opening (H) for receiving the reaction device described above.
  • the reaction device is inserted into this opening (H).
  • the reaction device is filled outside the device with the reaction mixture to be processed and analyzed and then introduced into the device.
  • the reaction device in the inserted state is arranged such that the light sources (24, 25) of the device are in one plane with the reaction chambers (2).
  • a series of reaction chambers (2) can be addressed with a light source (24, 25), which form a line with the corresponding light source (24, 25).
  • two rows of light sources (24) and (25) are provided according to the invention. These rows of light sources (24) and (25) are arranged at right angles to one another such that each reaction chamber (2) is located at the intersection of the radiation from two light sources (24) and (25) arranged at right angles to one another.
  • the reaction chamber (2) located at the intersection of the radiation of two activated light sources (24, 25) is selected in each case for the corresponding analysis process.
  • the other reaction chambers (2) which are also located in the radiation region of the light sources (24, 25), are also illuminated. These other reaction chambers (2) can also be excited to emit fluorescent radiation.
  • the detection unit (28) detects the fluorescence radiation emitted by all excited reaction mixtures. However, the fluorescence radiation emitted by the reaction mixtures differs in terms of intensity.
  • the signal intensity x of each individual reaction chamber (2) can be calculated by multiplying the inverse of the matrix A on both sides of the equation. A selective evaluation of a specific reaction mixture in a specific reaction chamber (2) is thus possible.
  • the selective evaluation of a specific reaction mixture in a specific reaction chamber (2) is also possible in that components are present in the reaction mixtures in the different reaction chambers (2) which emit fluorescent radiation of different frequencies.
  • components are present in the reaction mixtures in the different reaction chambers (2) which emit fluorescent radiation of different frequencies.
  • Another method according to the invention for the selective evaluation of a certain reaction mixture in a certain reaction chamber (2) consists in preventing the emission of fluorescent radiation by fluorescence quenching in one or more reaction chambers (2). This can be done, for example, by adding substances to which the excitation energy absorbed by the fluorescent constituents of the reaction mixture is transferred due to impact effects without the emission of fluorescent radiation.
  • the reaction device (R) comprises a sample chamber matrix (1) which contains only a single row of reaction chambers (2).
  • a row of light sources (24) corresponding to the row of reaction chambers.
  • each reaction chamber (2) is assigned a single light source (24).
  • a row of three light sources (24) is therefore provided.
  • the rows of reactive on chambers (2) and light sources (24) are arranged parallel to one another, a particular reaction chamber (2) lying only in the beam path of a single light source (24). By activating this specific light source (24), only the reaction chamber (2) assigned to this light source (24) is illuminated. A selective analysis of the content of this reaction chamber (2) is thus possible.
  • the light sources preference is given to using monochromatic light sources, in particular light-emitting diodes (LEDs) or lasers, as light sources (24, 25). Lasers are preferred due to their advantageous optical properties (e.g. emission of light of a narrow wavelength range).
  • the number of light sources depends on the number of reaction chambers (2) in the reaction device, each reaction chamber (2) preferably having two light sources (24, 25) in the case of a reaction chamber array and in the case of a single row of reaction chambers (2) each reaction chamber (2) is illuminated by a light source (24, 25).
  • the light sources are selected, for example, in such a way that they emit electromagnetic radiation with a wavelength of including 400 nm to and including 700 nm. In principle, however, the excitation can also take place with electromagnetic radiation of a shorter wavelength.
  • the radiation emitted by the light sources can also have wavelengths of, for example, 200 nm.
  • Filters (26, 27) can be arranged in the line between the light sources (24, 25) and the reaction chambers (2) in order to select and adjust the electromagnetic radiation incident in the reaction chambers (2).
  • These are preferably band-pass filters, for example interference filters, which only allow electromagnetic radiation with specific wavelengths to get into the reaction chambers (2).
  • the filters (26, 27) are preferably designed in such a way that they only allow electromagnetic radiation to pass through which has a frequency different from the fluorescence radiation emitted by the reaction mixtures. This prevents erroneous radiation from the light sources with the frequency of the fluorescent radiation emitted by the reaction mixtures from reaching the detection unit (28) and being evaluated there as a signal.
  • the reaction chambers (2) are located directly below a detection unit (28).
  • the detection unit (28) is thus arranged at right angles to the light sources (24, 25) above them. As a result, the electromagnetic radiation emitted by the light sources (24, 25) does not reach the detection unit (28). This only captures the electromagnetic radiation emitted from the reaction chambers (2).
  • the detection unit (28) is preferably a photon counting module.
  • other detector systems used in fluorescence measurement can also be used.
  • a lens (29) is preferably arranged between the detection unit and the reaction chambers (2). This serves to focus the radiation emitted from the reaction chambers onto the detection unit (28).
  • One or more filters (30) can also be arranged in the line between the detection unit (28) and the reaction chambers (2) in order to select and selectively evaluate the electromagnetic radiation emitted from the reaction chambers (2).
  • These are preferably band-pass filters, for example interference filters, which only allow electromagnetic radiation with specific wavelengths to reach the detection unit (28).
  • the filter (30) is preferably designed in such a way that it only allows electromagnetic radiation that has a frequency different from the radiation emitted by the light sources (24, 25) to pass through. This prevents erroneous radiation from entering the detection unit (28) directly from the light sources (24, 25) and being evaluated there as a signal.
  • the device according to the invention further comprises a control unit.
  • This comprises a central unit, for example a microprocessor, with which the light sources (24, 25) are activated, the heating device (8a) and the temperature measuring device (8b) are controlled.
  • the device further comprises a signal processing unit with which signals sent by the detection unit (28) are recorded and processed.
  • the signals entering the central unit and / or signal processing unit are the signals emanating from the central unit are changed outside the central unit in units for amplifying or modulating signals, for example in measuring amplifiers, power amplifiers or digitizing units, before entering the central unit or after leaving the central unit.
  • Software for system operation is also included in the control unit. This software can be selected according to the operations to be performed on the system.
  • the control unit is preferably connected to the heating device (8a) and the temperature measuring device (8b) via the contacts (9, 10) when the reaction device is in the position inserted into the device.
  • the temperature can thus be regulated very quickly and precisely.
  • the reaction chambers (29) can be addressed selectively by activating different light sources (24, 25).
  • the arrangement and control of the optical system in the device make it possible to process and evaluate even reaction mixtures with a small volume.
  • the control unit can additionally comprise an input device, for example a keyboard field or a keyboard, and / or a display device, for example a monitor or a liquid crystal display.
  • the device according to the invention can be operated via these devices.
  • the control unit can also contain one or more interfaces.
  • the control unit can be connected to external devices via these interfaces.
  • the control unit can be connected to an external computer via a suitable interface, via which the device according to the invention can then be operated.
  • the control unit can also be connected to a printer via a suitable interface.
  • control unit can be arranged within the device according to the invention. Alternatively, the control unit can also be provided outside the device according to the invention. This embodiment is shown in FIG. 6.
  • a control device (31) contains the control unit.
  • the control device (31) contains a keyboard (32) and a display (33) for operation.
  • the control device is connected to the Device connected in which the reaction device is inserted.
  • the device is constructed as described in FIG. 5.
  • FIG. 7 Another embodiment of the system according to the invention is shown in FIG. 7.
  • the control unit is located within the device according to the invention.
  • a keyboard (32) and a display (33) are provided for operation.
  • the device can be connected to an external computer and / or an external printer via suitable interfaces.
  • the reaction device (R) is preferably inside the device during the filling with reaction mixture. Filling can take place via the accessible opening (34).
  • the opening (34) communicates with the reaction chambers of the reaction device (R) via channels (not shown).
  • the device is otherwise constructed as described in FIG. 5. The chemical reaction and the subsequent evaluation are carried out as described above. After single use, the reaction device (R) can be removed through the opening (35) and cleaned or replaced.
  • the system according to the invention is based on a fluorescence measurement for evaluation. In principle, however, other optical methods used for evaluating chemical reaction mixtures could also be used.
  • the reaction device according to the invention is basically intended for single use. But it can also be cleaned and used several times.
  • Chemical reactions can be carried out and carried out with the system according to the invention.
  • the system of reaction device and device is suitable for carrying out chemical reactions in which controlled temperature cycles have to be carried out.
  • An example of such a reaction is the polymerase chain reaction (PCR) described in the introduction.
  • PCR polymerase chain reaction
  • the system according to the invention can also be used exclusively for the detection of reaction mixtures.
  • a measurement of very small volumes can advantageously be carried out with the system according to the invention. It is therefore also advantageous to fill the reaction chambers of the reaction device with substances which can be detected fluorometrically without carrying out a chemical reaction, and to evaluate them with the system according to the invention.
  • the reaction device outside the rest of the device is first filled with the reaction mixture or mixtures to be processed and analyzed. This is usually done by filling conventional syringes with the reaction mixture or mixtures to be processed and analyzed and then introducing the syringe contents into at least one opening (3). In principle, however, pipettes, micropipettes or special cartridges or ink-jet techniques are also suitable for this. After filling, the at least one opening (3) is closed as described above and the reaction device is inserted into the device.
  • the actual chemical reaction is carried out in the device according to methods known to the person skilled in the art and depending on the respective reaction.
  • PCR a defined temperature cycle is run through several times in the device and the reaction chambers (2) and their contents are brought to different temperatures over specified periods of time.
  • the temperature cycles, temperatures and time periods to be used for the PCR are known.
  • the PCR can be carried out in all known variants with the aid of the system according to the invention.
  • a preferred embodiment according to the present invention consists in heating a reaction mixture containing the nucleic acid template to be amplified and analyzed, primer, polymerase, dNTPs and fluorescent probes to 90-100 ° C.
  • this temperature cycle should be run through about 30-50 times, preferably about 35-40 times, until a sufficient amount of the desired DNA is present.
  • a fluorescence measurement as described below can be carried out to monitor the progress of the reaction.
  • a fluorescence measurement of the reaction mixture is then carried out.
  • the reaction mixture is subjected to a continuous temperature increase, for example with a heating rate of 0.1 ° C./s up to 10 ° C./s, while electromagnetic radiation is introduced with a wavelength suitable for the fluorescence measurement.
  • a heating rate for example with a heating rate of 0.1 ° C./s up to 10 ° C./s
  • electromagnetic radiation is introduced with a wavelength suitable for the fluorescence measurement.
  • the radiation emitted by the reaction mixture in the reaction chamber (2) is collected by the detection unit and converted into an electrical signal.
  • This signal if necessary after prior modulation and / or amplification, is fed into the control unit of the system and evaluated there with appropriate software.
  • the evaluation of fluorometric measurements is known.
  • the result of the fluorescence measurement is preferably output in the form of the first negative derivative (-dF / dT).
  • the reaction chambers (2) were filled with two reaction mixtures via the opening (3) of the sample chamber matrix (1).
  • One of the reaction mixtures contained small amounts of nucleic acids from the bacterium Escherichia coli (E. coli).
  • the second reaction mixture contained small amounts of nucleic acids from the bacterium Streptococcus pneumoniae.
  • the reaction chambers (2) were filled using conventional means Insulin syringes.
  • the opening (3) was then closed and the reaction device was introduced into the device.
  • the temperature profile shown in FIG. 7 was applied to the reaction chambers (2). After the reaction mixtures have been heated to 95 ° C. over a period of 250 s, the mixture is cooled to 48 ° C.
  • the fluorescence measurement was carried out while the reaction mixtures in the reaction chambers were slowly heated. The fluorescence decreases with increasing temperature. At the melting temperature, 50% of the probes are melted from the nucleic acid. At this point, a maximum is visible in the first negative derivative (-dF / dT) of the measurement curves, which is specific for a specific reaction mixture.
  • the system according to the invention it is thus possible to differentiate between different polynucleotides (DNA or RNA) in a reaction mixture. It is also possible to detect various mutations in polynucleotides using the system according to the invention.
  • the system according to the invention can thus be used for the detection of bacteria, viruses or certain DNA mutations.
  • the system according to the invention can thus also be used in the field of pharmacogenomics, i.e. therapy individually designed according to the patient's genetic predisposition, or for phytochemistry, veterinary medicine, veterinary biochemistry, microbiology or generally for areas in which polynucleotide analysis must be carried out.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktionsvorrichtung, umfassend eine Probenkammermatrix (1), enthaltend mindestens zwei Reaktionskammern (2), deren Wände für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig sind; mindestens eine Öffnung (3); eine Aufheizeinrichtung (8a); und eine Temperaturmesseinrichtung (8b). Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Gerät (G) zur Durchführung und Detektion chemischer Reaktionen, umfassend mindestens eine Lichtquelle (24, 25), welche elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich emittiert; eine Erfassungseinheit (28) zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich, wobei diese Einheit (28) im rechten Winkel zu der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) angeordnet ist; eine Steuereinheit umfassend eine Zentraleinheit zur Steuerung der Temperatur und der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) sowie zur Aufnahme und gegebenenfalls Verarbeitung eines Signals von der Erfassungseinheit (28); eine Öffnung (H) zur Aufnahme der vorstehenden Reaktionsvorrichtung (R), wobei die Reaktionsvorrichtung (R) in eingeführtem Zustand mit der Steuereinheit kommunizieren kann, sich in der Ebene der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) und unterhalb der Erfassungseinheit (28) befindet. Die Reaktionsvorrichtung (R) und das Gerät (G) eignen sich zur Durchführung und Auswertung chemischer Reaktionen oder biochemischer Reaktionen wie der Polymerase-Kettenreaktion.

Description

Thermo-optisches Analysesystem für biochemische Reaktionen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermo-optisches Analysesystem , das insbesondere zur Durchführung und Auswertung biochemischer Reaktionen geeignet ist.
Viele biochemische Reaktionen müssen bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt werden, um ein optimales beziehungsweise überhaupt ein Resultat zu erzielen. Ein prominentes Beispiel ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Mit der PCR können Po- lynukleotide (wie DNA oder RNA) selektiv um den Faktor 108 bis 109 amplifiziert werden. Dadurch ist es möglich, die normalerweise geringen Mengen an DNA oder RNA, die in einer einem Organismus entnommenen Reaktionsmischung vorhanden sind, derart zu multiplizieren, dass eine eingehende Bestimmung bzw. Analyse der Polynukleo- tide (z.B. DNA oder RNA) möglich wird.
Die PCR ist beispielsweise in der US-4,683,195, der US-4,683,202, der US-4,800,159 und der US-4,695,188 beschrieben. Das Prinzip der PCR lässt sich wie folgt zusammenfassen: Zu einer Reaktionsmischung mit den zu amplifizierenden Polynukleotid werden ein Polymerase-Enzym zur Katalysierung der Amplifizierungsreaktion, Desoxy- ribonukleotidtriphosphate (dNTPs) als Bausteine der zu synthetisierenden Polynukleoti- de, Oligonukleotid-Primer zur Auslösung der Reaktion sowie gegebenenfalls weitere Stoffe wie Puffer gegeben. Dieses Reaktionsgemisch wird anschliessend einem Tempe- raturcyclus unterworfen, bei welchem das Gemisch für einen bestimmten Zeitraum auf eine definierte Temperatur gebracht wird. Ein üblicher Temperaturcyclus besteht darin, das Reaktionsgemisch zunächst für einen bestimmten Zeitraum (s bis min) auf eine Temperatur im Bereich von 90-100°C, danach für einen bestimmten Zeitraum auf eine Temperatur im Bereich von 40-80°C, und schliesslich das Gemisch für einen bestimmten Zeitraum auf eine Temperatur von etwa 70-75°C zu bringen. Bei den unterschiedlichen Temperaturen kommt es jeweils zu einer Denaturierung des Polynukleotids, zu einem Anhaften der die Polymerasereaktion auslösenden Primer sowie zur Polymerase- reaktion selbst. Dieser Temperaturcyclus wird so oft wiederholt, bis eine gewünschte Menge an Polynukleotid im Gemisch vorhanden ist. Zwischenzeitlich können zusätzliche Schritte durchgeführt werden, beispielsweise zur Reinigung des Polynukleotids. Anschliessend kann die amplifizierte Nukleinsäure (z.B. DNA oder RNA) mit bekannten Techniken erfasst werden. Hierfür sind eine Reihe von Methoden beschrieben, die beispielsweise auf optischen Prinzipien wie Fluoreszenzmessung oder auf einer Markierung des Polynukleotids mit radioaktiven Substanzen beruhen.
Es wurden eine Reihe von Systemen vorgeschlagen, die zur Durchführung der PCR und anschliessenden Analyse des amplifizierten Polynukleotids eingesetzt werden können. Die meisten derartigen Systeme sind jedoch sehr gross und ineffizient, da die Temperatursteuerung über externe Energiequellen er olgt. Hierbei kommt es zu einem erheblichen Energieverlust, da ein erheblicher Teil des Systems aufgeheizt und abgekühlt werden muss. Die Einstellung der gewünschten Temperatur ist langwierig und mit Unge- nauigkeiten behaftet. Bei Systemen, welche die Umgebungstemperatur zur Kühlung einsetzen, kann es sich bei hohen Umgebungstemperaturen als sehr schwierig bis unmöglich gestalten, das System auf eine Temperatur von etwa 25°C einzustellen.
In der US-5,589,136 und der US-5, 639.423 ist ein Mikroreaktor zur Durchführung von chemischen Reaktionen beschrieben. Dieser Reaktor umfasst eine Reaktionskammer mit einer Öffnung, durch welche eine zu amplifizierende Reaktionsmischung in den Reaktor eingeführt werden kann. Die Reaktionskammer ist aus dotiertem Polysilicium sowie Rohsilicium aufgebaut, um ein kontrolliertes Aufheizen und Abkühlen zu gewährleisten. Die Reaktionskammer umfasst weiterhin Fenster aus Siliciumnitrid. Im Reaktor ist eine Heizvorrichtung gegenüber einem dieser Fenster angeordnet. Es ist beschrieben, dass die Detektion in einer entsprechenden Vorrichtung senkrecht zur Lichtquelle erfolgen kann. Dieses System ist jedoch kompliziert aufgebaut. Zur gleichzeitigen Durchführung mehrerer Vorgänge müssen mehrere separate Reaktionskammern in eine Reaktions- und Detektionsvorrichtung eingeführt werden.
In der US-5,958,349 ist ein Reaktionsgefäss für beispielsweise die PCR beschrieben. Dieses Reaktionsgefäss umfasst zwei grosse Flächen für eine schnelle Temperaturübertragung. Das Gefäss weist insgesamt eine dreieckige Form auf. Durch die kleineren Flächen des Gefässes kann Elektromagnetische Strahlung in das Gefäss eingeleitet bzw. ausgelesen werden. Es sind Mehrkammersysteme für die PCR und anschliessende Detektion bekannt. Bei dem Gerät Perkin Eimer 7700 erfolgt die Lichtanregung der 96 Löcher einer Mikrotiter- platte durch eine einzige optische Faser. Diese muss jedoch über eine komplexe Mechanik geführt werden. Beim LightCycler von Röche werden einzelne Probenkapillaren sequentiell einer Fluoreszenzmessung unterzogen. Hierbei müssen die Probenkapillaren an der Anregungs- und Detektionseinheit vorbei rotiert werden.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Durchführung von chemischen Reaktionen wie der PCR und/oder der Erfassung von Proteinen und/oder der Erfassung von Antigen/Antikörperkomplexen und anschliessenden Erfassung des Reaktionsprodukts bereitzustellen, mit dessen Hilfe auf einfache Weise mehrere Reaktionsmischungen gleichzeitig bearbeitet und ausgewertet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Reaktionsvorrichtung und ein Gerät gemäss den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemässe System zur Durchführung chemischer Reaktionen umfasst eine Reaktionsvorrichtung, die in ein Gerät mit optischen Vorrichtungen und Steuereinheit eingeführt werden kann. Die Reaktionsvorrichtung kann ausserhalb oder innerhalb des Geräts mit der zu bearbeitenden und analysierenden Reaktionsmischung befüllt werden. Befindet sich die Reaktionsvorrichtung nicht bereits im Gerät, wird die Reaktionsvorrichtung nach dem Befüllen in das Gerät eingeführt, um die chemische Reaktion durchzuführen und das Reaktionsprodukt zu analysieren.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von nicht einschränkenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 : Eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Probenkammermatrix der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung.
Fig. 2: Eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung. Fig. 3: Eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Aufheizeinrichtung und Temperaturmesseinrichtung der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung.
Fig. 4: Eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung in einem Gehäuse.
Fig.5: Eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts.
Fig. 6: Eine schematische Ansicht des Aufbaus einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts.
Fig. 7: Eine schematische Ansicht des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts.
Fig. 8: Den in Beispiel 1 durchgeführten Temperaturcyclus.
Fig..9: Den Graph der negativen ersten Ableitung (-dF/DT) der Fluoreszenzmesskurve gemäss Beispiel 1 für die Reaktionsmischung mit DNA des Bakteriums Escheri- chia coli.
Fig..10: Den Graph der negativen ersten Ableitung (-dF/DT) der Fluoreszenzmesskurve gemäss Beispiel 1 für die Reaktionsmischung mit DNA des Bakteriums Strepto- kokkus pneumoniae.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktionsvorrichtung, umfassend eine Probenkammermatrix (1 ), enthaltend mindestens zwei Reaktionskammern (2), deren Deckflächen sowie die einer Lichtquelle (24, 25) oder einer benachbarten Reaktionskammer zugewandte Seitenwände für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig sind; sowie mindestens eine Öffnung (3). Die Lichtquellen werden gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so ausgewählt, dass sie Elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ein- schliesslich 400 nm bis einschliesslich 700 nm emittieren. Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden als Lichtquellen Laser verwendet, die eine zur Anregung einer Fluoreszenzemission geeignete elektromagnetische Strahlung emittieren.
Die Reaktionsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung stellt ein Mehrkammersystem bereit, das auf einfache Weise die gleichzeitige Durchführung von chemischen Reaktionen in mehreren Kammern und eine Detektion der Kammerinhalte mehrerer Kammern ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Deckflächen sowie die einer Lichtquelle oder einer benachbarten Reaktionskammer zugewandten Seitenwände der Reaktionskammern für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig sind. Die Reaktionskammern können mit Hilfe der integrierten Heizeinrichtung und/oder Temperaturmesseinrichtung schnell, kontrolliert und präzise erwärmt werden. Durch die Bereitstellung einer integrierten Abkühleinrichtung (13) ist ebenfalls eine schnelle und präzise Abkühlung der Reaktionsvorrichtung und der Reaktionsmischungen möglich.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Gerät zur Durchführung und Detektion chemischer Reaktionen, umfassend a) mindestens zwei Lichtquellen, welche elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich emittieren; b) eine Erfassungseinheit zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich, wobei diese Einheit im rechten Winkel zu den mindestens zwei Lichtquellen angeordnet ist; c) eine Steuereinheit umfassend eine Zentraleinheit zur Steuerung der Temperatur und den mindestens zwei Lichtquellen sowie eine Signalverarbeitungseinheit zur Aufnahme und Verarbeitung eines Signals von der Erfassungseinheit; d) eine Öffnung zur Aufnahme der vorstehenden Reaktionsvorrichtung, wobei die Reaktionsvorrichtung sich in der Ebene der mindestens zwei Lichtquellen und unterhalb der Erfassungseinheit befindet.
Durch die Anordnung und Steuerung des optischen Systems im Gerät ist eine Bearbeitung und Auswertung selbst von Reaktionsmischungen mit sehr geringem Volumen möglich. Mit diesem Gerät kann beispielsweise ein Verfahren zur Durchführung einer fluoro- metrisch auswertbaren Reaktion ausgeführt werden, enthaltend die Schritte a) Bereitstellung von Reaktionsmischungen, in denen fluoreszierende Bestandteile enthalten sind oder im Verlauf der chemischen Reaktion gebildet werden; b) Durchführung der chemischen Reaktion durch Einstellung mindestens einer Reaktionstemperatur in den Reaktionsmischungen; c) Anregung der Reaktionsmischungen durch elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich; d) Fluorometrische Auswertung der Reaktionsmischungen durch Messung der emittierten Fluoreszenzstrahlung; dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) wenigstens zwei Reaktionsmischungen gleichzeitig durch die elektromagnetische Strahlung angeregt werden und in Schritt d) gleichzeitig die emittierte Fluoreszenzstrahlung dieser Reaktionsmischungen erfasst und ausgewertet wird.
Dies ist gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch möglich, dass die Reaktionsmischungen in Schritt c) mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Intensität angeregt werden, so dass die Intensität der von den Reaktionsmischungen emittierten Fluoreszenzstrahlung unterschiedlich ist und die Reaktionsmischungen aufgrund unterschiedlicher Signalintensität selektiv auswertbar sind.
Eine weitere erfindungsgemässe Möglichkeit zur selektiven Auswertung des Inhalts einer Reaktionskammer besteht darin, dass Reaktionsmischungen mit fluoreszierenden Bestandteilen ausgewählt werden, die bei unterschiedlichen Frequenzen Fluoreszenzstrahlung emittieren, so dass die Reaktionsmischungen aufgrund unterschiedlicher Signalfrequenz selektiv auswertbar sind.
Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich auf die vorliegenden Erfindung im Allgemeinen und sind nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen eingeschränkt.
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Probenkammermatrix der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung gezeigt. Die Probenkammermatrix (1 ) umfasst mindestens zwei Reaktionskammern (2). In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind der Probenkammermatrix (1 ) vier Reaktionskammern (2) vorgesehen. Die Zahl der Reaktionskammern in der Probenkammermatrix ist grundsätzlich nach oben nur durch die physikalischen Parameter des erfindungsgemässen Systems eingeschränkt (Signal-Rausch-Abstand des erhaltenen Signals, Fokussierung des einfallenden und abgestrahlten Lichts). Erfindungsgemäss bevorzugt ist die Bereitstellung von 2 bis 16 Reaktionskammern (2), insbesondere von mindestens drei Reaktionskammern (2) in der Probenkammermatrix (1 ), um die gleichzeitige Bearbeitung und Analyse einer Testprobe, einer Positivprobe und einer Negativprobe zu ermöglichen. Erfindungsgemäss bevorzugt ist aus herstellungstechnischen Gründen zudem eine Anzahl von Reaktionskammern (2), die ein quadratisches Array von Reaktionskammern (2) bilden, oder eine einzige Reihe von Reaktionskammern (2).
Die Reaktionsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung stellt ein Mehrkammersystem bereit, das auf einfache Weise eine Detektion der Kammerinhalte ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Deckflächen sowie die einer Lichtquelle (24, 25) oder einer benachbarten Reaktionskammer zugewandten Seitenwände der Reaktionskammern (2) für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig sind. Es ist daher gemäss der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, Fenster oder Löcher in den Wänden der Reaktionskammern (2) vorzusehen, durch welche elektromagnetische Strahlung eingestrahlt und herausgestrahlt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass die von einer einzigen Lichtquelle emittierte elektromagnetische Strahlung durch alle im Bezug zur Lichtquelle in einer Reihe angeordneten Reaktionskammern (2) geleitet werden kann. Bei der in Fig. 1 gezeigten Probenkammermatrix (1 ) sind die Reaktionskammern (2) in vertikalen und horizontalen Reihen zueinander angeordnet. Die Reaktionskammern (2) werden durch zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten Reihen von (im Fall von Fig. 1 jeweils 2) Lichtquellen angestrahlt. Durch eine derartige Anordnung kann man die einzelnen Reaktionskammern (2) wie nachstehend beschrieben selektiv durchleuchten. Eine weitergehende Besprechung der Anordnung der Lichtquellen und der Detektion erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5. Benachbarte Reaktionskammern (2) in der Probenkammermatrix (1 ) können jeweils miteinander durch eine Seitenwand verbunden sein. Da diese Seitenwand wie vorstehend ausgeführt für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig ist, tritt die in die erste Kammer eingestrahlte elektromagnetische Strahlung durch die gemeinsame Wand in die nachfolgende zweite Kammer ein, wenn die benachbarten Kammern in einer Reihe in Bezug zu einer Lichtquelle angeordnet sind. Es ist jedoch auch erfindungsgemäss möglich, dass zwischen benachbarten Reaktionskammern (2) in der Probenkammermatrix (1 ) ein Freiraum vorhanden ist. In einen derartigen Freiraum können Einrichtungen vorgesehen werden, die einen Durchtritt des eingestrahlten Lichts von der ersten Kammer in die benachbarte zweite Kammer verändern, beispielsweise abschwächen, oder verhindern. Bei einer derartigen Einrichtung kann es sich beispielsweise um Filter oder um Luftkanäle handeln. Möglich ist aber auch die Bereitstellung einer Einrichtung in dem Freiraum, durch welche die einfallende Strahlung verstärkt wird. Es kann sich hierbei um Spiegel oder Prismen handeln.
Die Probenkammermatrix (1 ) weist mindestens eine Öffnung (3) auf. Durch diese Öffnung (3) können die Reaktionskammern (2) befüllt beziehungsweise entlüftet werden. Die Reaktionskammern (2) stehen mit der Öffnung (3) über ebenfalls in der Probenkammermatrix befindliche Kanäle (4) in Verbindung. Es können mehrere Öffnungen (3) vorgesehen sein, um entweder ein separates Befüllen und Entlüften aller Reaktionskammern (2) zu ermöglichen, oder um die Reaktionskammern (2) unabhängig voneinander zu befüllen bzw. zu entlüften.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sind alle Reaktionskammern (2) durch Kanäle (4) mit einer Öffnung (3) verbunden. Um ein separates Befüllen bzw. Entlüften der einzelnen Reaktionskammern zu ermöglichen, können in den Kanälen (4) Regler vorgesehen sein, durch welche bestimmte Kanäle geöffnet beziehungsweise geschlossen werden können.
Die Reaktionskammern sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass sie Reaktionsmischungen mit einem Volumen im Bereich von einschliesslich 100 nl bis einschliesslich 2 μl aufnehmen können. Eine oder mehrere der Reaktionskammern (2) können gemäss der vorliegenden Erfindung bereits eine oder mehrere chemische Substanzen enthalten, bevor sie über die Öffnung(en) (3) zusätzlich mit der zu bearbeitenden und analysierenden Reaktionsmischung befüllt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um chemische Trockensubstanzen, beispielsweise um Feststoffe oder um gefriergetrocknete Substanzen. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Substanzen ist es möglich, die zu bearbeitende und analysierende Reaktionsmischung in verschiedenen Reaktionskammern (2) unterschiedlich zu behandeln und auf diese Weise unterschiedliche Parameter der Reaktionsmischung zu bestimmen.
In Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung gezeigt. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist eine Probenkammermatrix (1 ) mit Reaktionskammern (2), einer Öffnung (3) und Kanälen (4) zur Verbindung der Öffnung (3) mit den Reaktionskammern (2) in einem Körper (1 ') ausgebildet, der für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig ist. Vorzugsweise ist dieser Körper (1 ') ein Formstück aus Glas. Andere Materialien, die für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig sind, können jedoch auch verwendet werden. Beispielsweise seien Kunststoffmaterialien wie Acrylglas oder Polycarbonat genannt. In den Körper (1 ') sind die Reaktionskammern (2), die Öffnung (3) und Kanäle (4) zur Verbindung der Öffnung (3) mit den Reaktionskammern (2) eingearbeitet. Dieser Vorgang kann auf herkömmliche, dem Fachmann bekannte Art durchgeführt werden. Beispielsweise können die entsprechenden Teile (2) bis (4) mechanisch in den Körper (1 ') eingearbeitet werden zum Beispiel durch Schneiden. Erfindungsgemäss bevorzugt werden die Teile (2) bis (4) jedoch chemisch durch Ätzen des Körpers (1 ') eingearbeitet. Gemäss der vorliegenden Erfindung weist der Körper (1 ') vorzugsweise eine Dicke von 500-600 μm auf.
In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Reaktionskammern (2) derart eingearbeitet, dass zwischen benachbarten Reaktionskammern eine Seitenwand bestehend aus dem Material des Körpers (1 ') vorhanden ist. Es ist wie vorstehend ausgeführt jedoch auch möglich, Teile des Körpers (1 ') aus dem Zwischenraum zwischen benachbarten Reaktionskammern (2) zu entfernen und so einen Freiraum zu schaffen. Der Körper (1 ') mit der Probenkammermatrix (1 ) ist über eine dünne Schicht (5) aus elastischem Kunststoff, beispielsweise einem gummiartigen Material wie Silikongummi, mit einer Schicht (6) aus einem wärmeleitenden Material verbunden. Die Schicht (6) sollte eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, da über die Schicht (6) die in der Heizschicht (8) erzeugte Wärme auf die Reaktionskammern (2) übertragen wird. Vorzugsweise besteht die Schicht (6) aus Silicium oder um wärmeleitfähige Silicium- verbindungen. Gemäss der vorliegenden Erfindung weist die Schicht (6) vorzugsweise eine Dicke von maximal 500 μm auf.
Die Schicht (6) ist über eine dünne Schicht (7) mit einer Schicht (1 1 ) aus isolierendem Material verbunden. Die Schicht (7) gewährleistet die Verbindung der Schicht (6) mit der Schicht (1 1 ), ohne die Wärmeübertragung innerhalb der Reaktionsvorrichtung wesentlich zu beeinflussen. Die Schicht (7) besteht aus einem Klebstoff. Die genaue Beschaffenheit der Schicht (7) kann vom Fachmann anhand der Materialien der zu verbindenden Schichten auf einfache Weise gemäss seinem Fachwissen ausgewählt werden. Beispielsweise kann zum Verbinden einer Schicht (6) aus Silicium mit einer Schicht (1 1 ) aus Glas ein UV-härtbarer Klebstoff, beispielsweise ein Kunststoff auf Acrylatbasis, als Material für die Schicht (7) verwendet werden.
Die Heizschicht (8) dient zum Erwärmen der Reaktionskammern (2). Die Heizschicht (8) wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig.3 näher erläutert. Sie bildet eine in die Reaktionsvorrichtung integrierte Heizeinrichtung und/oder Temperaturmesseinrichtung. Die Reaktionskammern (2) können mit Hilfe der integrierten Heizeinrichtung und/oder Temperaturmesseinrichtung kontrolliert und präzise erwärmt werden. Hierbei wird nicht die gesamte Reaktionsvorrichtung erhitzt, sondern lediglich der oberhalb der integrierten Heizeinrichtung und/oder Temperaturmesseinrichtung befindliche Teil. Dies erlaubt ein deutlich schnelleres und präziseres Aufheizen der Reaktionskammern (2) im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Die Heizschicht (8) ist auf der Oberfläche der Schicht (1 1 ) angeordnet. Erfindungsgemäss bevorzugt ist die Schicht (8) aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer oder einem Edelmetall wie Platin gefertigt. Gemäss der vorliegenden Erfindung weist die Schicht (8) vorzugsweise eine Dicke von 500 nm-1 μm auf. In der Heizschicht (8) sind auch die Kontakte (9) der Heizeinrichtung sowie die Kontakte (10) der Temperaturmesseinrichtung angeordnet. Diese Kontakte dienen zur Herstellung einer Verbindung der Reaktionsvorrichtung mit der Steuereinheit des restlichen Geräts, wenn die Reaktionsvorrichtung in das Gerät eingeführt ist. In Fig. 2 sind jeweils zwei Kontakte (9) und (10) gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Zahl von Kontakten eingeschränkt. Die Art der Kontakte kann vom Fachmann anhand der exakten Anforderungen problemlos ausgewählt werden. Beispielsweise kann es sich in manchen Fällen als vorteilhaft erweisen, die Kontakte als Kontaktfedern auszubilden.
Die Heizschicht (8) ist wie bereits ausgeführt teilweise auf der Oberfläche der Schicht (1 1 ) ausgebildet. Die Schicht (1 1 ) besteht aus einem wärmeisolierenden Material, beispielsweise aus Glas. Dadurch wird verhindert, dass die in der Schicht (8) erzeugte Wärme auch auf andere Bereiche der Reaktionsvorrichtung als auf die Reaktionskammern (2) übertragen wird. Gemäss der vorliegenden Erfindung weist die Schicht (1 1 ) vorzugsweise eine Dicke von 500 μm-2 mm auf.
Die Schicht (1 1 ) befindet sich auf einem Träger (12). Dieser Träger (12) ist aus einem herkömmlich für diese Zwecke verwendeten Material gefertigt.
Unterhalb des Trägers (12) ist eine Abkühleinrichtung (13) zum Abkühlen der Reaktionsvorrichtung angeordnet. Erfindungsgemäss kann jede herkömmlich für derartige Anwendungen eingesetzte Abkühleinrichtung (13) verwendet werden. Bevorzugt ist die Verwendung eines Peltier-Kühlelements als Abkühleinrichtung (13). Durch die Bereitstellung einer integrierten Abkühleinrichtung (13) ist ebenfalls eine schnelle und präzise Abkühlung der Reaktionsvorrichtung möglich.
Die mindestens eine Öffnung (3) wird erfindungsgemäss bevorzugt nach dem Einfüllen der Reaktionsmischung verschlossen, um eine Kontamination des Reaktionsgemisches zu verhindern. Hierzu sind grundsätzlich alle bekannten Verschlusssysteme geeignet. In Fig. 2 ist eine Verschlussklappe (14) gezeigt. An der Unterseite der Verschlussklappe (14) ist ein Block (15) angebracht. Dieser Block (15) besteht aus einem Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit. Dadurch wird die Reaktionsvorrichtung von der Umgebung thermisch entkoppelt. Eine exakte Kontrolle der Temperatur in den Reakti- onskammern (2) kann somit gewährleistet werden. Auf der zur Öffnung (3) hin gewandten Oberfläche des Blocks (15) ist eine Schicht (16) zur Abdichtung der Öffnung (3) angebracht. Diese Schicht (15) kann aus jedem herkömmlichen Dichtmaterial gefertigt sein, beispielsweise aus Gummi. Sie muss gewährleisten, dass selbst bei erhöhten Temperaturen keine Flüssigkeit oder kein Gas aus den Reaktionskammern (2) austreten kann.
In Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Aufheizeinrichtung (8a) und Temperaturmesseinrichtung (8b) der erfindungsgemässen Reaktionsvorrichtung gezeigt. Die Aufheizeinrichtung (8a) und Temperaturmesseinrichtung (8b) sind wie vorstehend ausgeführt in der Heizschicht (8) angeordnet. Erfindungsgemäss bevorzugt sind die Aufheizeinrichtung (8a) und Temperaturmesseinrichtung (8b) jeweils als Widerstände ausgebildet. Sie sind in Form schleifenförmiger Leitungsbahnen auf oder in der Heizschicht (8) angeordnet. Wenn die Aufheizeinrichtung (8a) ein Heizwiderstand ist, sollte sie aus einem Material mit einem möglichst kleinen Widerstand gefertigt sein. Andererseits sollte die Temperaturmesseinrichtung (8b), wenn sie als Widerstand ausgebildet ist, aus einem Material mit einem möglichst grossen Widerstand gefertigt sein. Vorzugsweise sind diese Leitungsbahnen aus einem Metall, beispielsweise Kupfer oder einem Edelmetall wie Platin gefertigt. Besonders bevorzugt sind Aufheizeinrichtung (8a) und Temperaturmesseinrichtung (8b) aus dem gleichen Material, beispielsweise Kupfer oder einem Edelmetall wie Platin gefertigt. Dies ist aus herstellungstechnischen Gründen bevorzugt. In diesem Fall stellt das verwendete Material einen Kompromiss zwischen den unterschiedlichen vorstehend ausgeführten Anforderungen dar. Die Aufheizeinrichtung (8a) und Temperaturmesseinrichtung (8b) können nach üblichen Methoden, beispielsweise durch Ätzen, in der Heizschicht (8) ausgebildet werden. Die Leitungsbahnen, welche den Heizwiderstand (8a) beziehungsweise den Temperaturmesswiderstand (8b) bilden, enden in den jeweiligen Kontakten (9) und (10). Wenn die Reaktionsvorrichtung in das restliche Gerät eingeführt ist, sind der Heizwiderstand (8a) beziehungsweise den Temperaturmesswiderstand (8b) über die Kontakte (9) und (10) mit der Steuereinheit verbunden.
Es ist gemäss der vorliegenden Erfindung aber auch grundsätzlich denkbar, eine Reaktionsvorrichtung bereitzustellen, bei welcher verschiedene Teile der Reaktionsvorrich- tung mit separaten Heizeinrichtungen angesteuert werden. Dies ermöglicht ein selektives und kontrolliertes Erwärmen einzelner Teile der Reaktionsvorrichtung.
Die Reaktionsvorrichtung kann gemäss der vorliegenden Erfindung eine Codierung enthalten. In dieser Codierung ist die Information enthalten, ob und für welche chemische Reaktion beziehungsweise Target die Reaktionsvorrichtung spezifisch bereitgestellt ist. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn in den Reaktionskammern zusätzliche chemische Substanzen vorgegeben sind.
Die Herstellung der Reaktionsvorrichtung kann nach herkömmlichen, dem Fachmann bekannten Methoden erfolgen.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemäss Ausführungsform der Reaktionsvorrichtung gezeigt, bei der die Reaktionsvorrichtung in einem Gehäuse (19) angeordnet ist. Das Gehäuse (1 9) ist über ein Gelenk (18) mit einer Verschlussklappe (1 7) verbunden. An der Unterseite der Verschlussklappe (1 7) sind der vorstehend beschriebene Block (15) und die Dichtungsschicht (16) befestigt. Wenn die Verschlussklappe (1 7) in Schliessstellung gebracht ist, wird die Öffnung (4) der Probenkammermatrix (1 ) durch den Block (15) und die Dichtungsschicht (16) verschlossen. In der Verschlussklappe (1 7) ist weiterhin ein Fenster aus einem für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässigen Material beziehungsweise eine Öffnung (20) vorhanden. Wenn die Verschlussklappe (1 7) in Schliessstellung gebracht ist, befindet sich das Fenster beziehungsweise die Öffnung (20) direkt über den Reaktionskammern (2). Dadurch kann elektromagnetische Strahlung aus den Reaktionskammern (2) durch das Fenster beziehungsweise die Öffnung (20) in eine oberhalb des Fensters beziehungsweise der Öffnung (20) befindliche Erfassungseinheit einstrahlen.
Die Verschlussklappe (17) kann durch die Halterung (21 ) fixiert werden. Die Fixierung kann auf jegliche hierfür herkömmlich verwendete Art erfolgen. In Fig. 4 ist beispielsweise die Halterung (21 ) im Gelenk (23) beweglich gelagert. Über eine Feder (22) wird die Halterung (21 ) unter Spannung gehalten. Durch diese Spannung wird eine Fixierung der Verschlussklappe (17) erreicht, wenn diese unter die Halterung (21 ) gedrückt wird. Die Reaktionsvorrichtung steht über die Kühleinrichtung (13) mit dem Gehäuse (19) in Verbindung. Auf diese Weise kann in der Reaktionsvorrichtung erzeugte Wärme über die Kühleinrichtung (13) an das Gehäuse (19) abgegeben werden.
In Fig. 5 ist eine schematische Abbildung einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts zur Durchführung und Auswertung chemischer Reaktionen gezeigt. Das Gerät weist eine Öffnung (H) zur Aufnahme der vorstehend beschriebenen Reaktionsvorrichtung auf. In Fig. 5 ist die Reaktionsvorrichtung in diese Öffnung (H) eingeführt. Die Reaktionsvorrichtung wird bei dieser Ausführungsform ausserhalb des Geräts mit der zu bearbeitenden und analysierenden Reaktionsmischung befüllt und anschliessend in das Gerät eingeführt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist die Reaktionsvorrichtung im eingeführten Zustand so angeordnet, dass sich die Lichtquellen (24, 25) des Geräts in einer Ebene mit den Reaktionskammern (2) befinden. Wie vorstehend beschrieben kann mit einer Lichtquelle (24, 25) eine Reihe von Reaktionskammern (2) angesprochen werden, die mit der entsprechenden Lichtquelle (24, 25) eine Linie bilden. Bei einem Array von Reaktionskammern (2) , wie das in Fig. 5 gezeigte Array von 4 Reaktionskammern (2), sind erfindungsgemäss zwei Reihen von Lichtquellen (24) und (25) vorgesehen. Diese Reihen von Lichtquellen (24) und (25) sind im rechten Winkel zueinander derart angeordnet, dass jede Reaktionskammer (2) sich im Schnittpunkt der Strahlung aus zwei jeweils rechtwinklig zueinander angeordneten Lichtquellen (24) und (25) befindet.
Die im Schnittpunkt der Strahlung zweier aktivierter Lichtquellen (24, 25) befindliche Reaktionskammer (2) ist jeweils für den entsprechenden Analysevorgang ausgewählt. Es werden hierbei grundsätzlich aber auch die ebenfalls im Strahlungsbereich der Lichtquellen (24, 25) befindlichen anderen Reaktionskammern (2) durchleuchtet. Diese anderen Reaktionskammern (2) können hierbei ebenfalls zur Emission von Fluoreszenzstrahlung angeregt werden. Die Erfassungseinheit (28) erfasst hierbei die von allen angeregten Reaktionsmischungen emittierte Fluoreszenzstrahlung. Die von den Reaktionsmischungen emittierte Fluoreszenzstrahlung unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der Intensität. Wenn die von der Lichtquelle (24, 25) ausgesendete Strahlung durch die erste im Strahlungsgang befindliche Reaktionskammer gelangt, erfährt sie aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Inhalt der Reaktionskammer (2) eine Abschwächung (Dämpfung). Beim Durchtritt durch die Verbindungswand zur nächsten benachbarten Reaktionskammer (2) kommt es zu einer weiteren Abschwächung (Dämpfung) der Anregungsstrahlung der Lichtquellen (24, 25). Diese Abschwächung kann noch zusätzlich verstärkt werden, wenn bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zwischen den benachbarten Reaktionskammern (2) ein Freiraum vorgesehen ist, in dem beispielsweise Luft oder Filter bereitgestellt sind.
Die von der Erfassungseinheit (28) empfangenen Signale unterschiedlicher Intensität können bei der rechnerischen Auswertung voneinander getrennt werden. Wenn n Reaktionskammern (2) in einer Probenkammermatrix (1 ) angeordnet sind und an den Kanten der Probenkammermatrix (1 ) zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Reihen von Lichtquellen (24, 25) vorhanden sind, wobei die Zahl der Lichtquellen j und k und n=j*k sein soll, ist die Anregung der Reaktionskammern (2) so zu steuern, dass jede Reaktionskammer (2) einmal gleichzeitig von zwei Lichtquellen (24, 25) angeregt wird. Bei jeder Belichtung wird mit der Erfassungseinheit (28) ein Messwert aufgenommen. Dabei nimmt die Erfassungseinheit (28) die Summe aller Signale der angeregten Reaktionskammern (2) auf, wobei das Signal der im Schnittpunkt der Strahlengänge der Lichtquellen (24, 25) befindlichen Reaktionskammer (2) am stärksten ist. Wie vorstehend beschrieben ist zu berücksichtigen, dass ein Teil der Strahlung der Lichtquellen (24, 25) von näher im Strahlengang zur Lichtquelle (24, 25) befindlichen Reaktionskammern und/oder den Seitenwänden absorbiert wird. Die Signale aus den Reaktionskammern (2) werden also um so kleiner, je weiter sie von der Lichtquelle (24, 25) entfernt sind. Es lässt sich aufgrund dieser Voraussetzungen ein lineares Gleichungssystem für alle Reaktionskammern (2) und Signale aufstellen und daraus die Signalintensität jeder einzelnen Reaktionskammer (2) berechnen.
Bei einer Probenkammermatrix (1 ) mit 3*3 Reaktionskammern (2), d.h. mit drei Reihen zu je 3 Reaktionskammern (2), seien am Rand Lichtquellen (24) in der Zeile h und rechtwinklig dazu Lichtquellen (25) in der Kolonne v angeordnet. Werden nur die Lichtquelle j in der Zeile h und die Lichtquelle k in der Kolonne v aktiviert, produzieren die Reaktionskammern das Summensignal Sjk. Dabei ist (1 -a) der Absorptionskoeffizient für die in der 2. Reihe angeordneten Reaktionskammern und (1 -b) der Absorptionskoeffizient für die in der dritte Reihe angeordneten Kammern. Es ergibt sich dadurch ein Satz von 9 Gleichungen der Art: xji + a j2 + bxj3 + xik + ax2k + bx3k = sjk
Die neun Gleichungen lassen sich wie folgt ausdrücken:
Δ * x = s
Durch Multiplikation mit der Inversen der Matrix A auf beiden Seiten der Gleichung lässt sich die Signal intensität x jeder einzelnen Reaktionskammer (2) berechnen. Somit ist eine selektive Auswertung einer bestimmten Reaktionsmischung in einer bestimmten Reaktionskammer (2) möglich.
Die selektive Auswertung einer bestimmten Reaktionsmischung in einer bestimmten Reaktionskammer (2) ist aber auch dadurch möglich, dass in den Reaktionsmischungen in den verschiedenen Reaktionskammern (2) Bestandteile vorhanden sind, die Fluoreszenzstrahlung unterschiedlicher Frequenz emittieren. Beim Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung einer definierten Frequenz wird dadurch ausschliesslich eine der mehreren Reaktionsmischungen zur Emission von Fluoreszenzstrahlung angeregt.
Eine weitere erfindungsgemässe Methode zur selektiven Auswertung einer bestimmten Reaktionsmischung in einer bestimmten Reaktionskammer (2) besteht darin, in einer oder mehreren Reaktionskammern (2) die Emission von Fluoreszenzstrahlung durch Fluoreszenzlöschung zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch Zugabe von Substanzen erfolgen, auf die aufgrund von Stosseffekten die von den fluoreszierenden Bestandteilen der Reaktionsmischung aufgenommene Anregungsenergie übertragen wird, ohne dass es zur Emission von Fluoreszenzstrahlung kommt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Reaktionsvorrichtung (R) eine Probenkammermatrix (1 ), welche nur eine einzige Reihe von ' Reaktionskammern (2) enthält. In diesem Fall ist es erfindungsgemäss bevorzugt, eine der Reihe von Reaktionskammern entsprechende Reihe von Lichtquellen (24) bereitzustellen. Bei dieser Ausführungsform ist also jeder Reaktionskammer (2) eine einzige Lichtquelle (24) zugeordnet. Bei einer aus drei Reaktionskammern (2) bestehenden Reihe wird also eine Reihe von drei Lichtquellen (24) vorgesehen. Die Reihen aus Reakti- onskammern (2) und Lichtquellen (24) sind parallel zueinander angeordnet, wobei jeweils eine bestimmte Reaktionskammer (2) nur im Strahlengang einer einzigen Lichtquelle (24) liegt. Durch Aktivierung dieser bestimmten Lichtquelle (24) wird nur die dieser Lichtquelle (24) zugeordnete Reaktionskammer (2) durchleuchtet. Somit ist eine selektive Analyse des Inhalts dieser Reaktionskammer (2) möglich.
Erfindungsgemäss bevorzugt werden monochromatische Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden (LEDs) oder Laser, als Lichtquellen (24, 25) eingesetzt. Laser sind aufgrund ihrer vorteilhaften optischen Eigenschaften (z.B. Emission von Licht einer engen Wellenlängenbreite) bevorzugt. Die Zahl der Lichtquellen ist von der Zahl der Reaktionskammern (2) in der Reaktionsvorrichtung abhängig, wobei im Fall eines Reaktions- kammerarrays jede Reaktionskammer (2) von zwei Lichtquellen (24, 25) und im Fall einer einzigen Reihe von Reaktionskammern (2) vorzugsweise jede Reaktionskammer (2) von einer Lichtquelle (24, 25) angestrahlt werden. Die Lichtquellen werden erfindungsgemäss beispielsweise so ausgewählt, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von einschliesslich 400 nm bis einschliesslich 700 nm emittieren. Grundsätzlich kann die Anregung aber auch mit elektromagnetischer Strahlung einer kleineren Wellenlänge erfolgen. Bei Verwendung von Lasern kann die von den Lichtquellen emittierte Strahlung beispielsweise auch Wellenlängen von beispielsweise 200 nm aufweisen.
In der Linie zwischen den Lichtquellen (24, 25) und den Reaktionskammern (2) können Filter (26, 27) angeordnet sein, um die in die Reaktionskammern (2) einfallende Elektromagnetische Strahlung gezielt auszuwählen und einzustellen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Band-Pass-Filter, beispielsweise Interferenzfilter, die nur elektromagnetische Strahlung mit bestimmten Wellenlängen in die Reaktionskammem (2) gelangen lassen. Erfindungsgemäss bevorzugt sind die Filter (26, 27) so konstruiert, dass sie nur elektromagnetische Strahlung passieren lassen, die eine von der von den Reaktionsmischungen emittierten Fluoreszenzstrahlung verschiedene Frequenz aufweist. Damit wird verhindert, dass irrtümlicherweise Strahlung aus den Lichtquellen mit der Frequenz der von den Reaktionsmischungen emittierten Fluoreszenzstrahlung in die Erfassungseinheit (28) gelangt und dort als Signal ausgewertet wird. Wenn die Reaktionsvorrichtung in das Gerät eingeführt ist, befinden sich die Reaktionskammern (2) direkt unterhalb einer Erfassungseinheit (28). Die Erfassungseinheit (28) ist somit jeweils rechtwinklig zu den Lichtquellen (24, 25) oberhalb von diesen angeordnet. Dadurch gelingt die von den Lichtquellen (24, 25) emittierte Elektromagnetische Strahlung nicht in die Erfassungseinheit (28). Diese fängt ausschliesslich die aus den Reaktionskammern (2) emittierte Elektromagnetische Strahlung auf.
Die Erfassungseinheit (28) ist erfindungsgemäss bevorzugt ein Photonenzählmodul. Es können jedoch auch andere bei der Fluoreszenzmessung verwendete Detektorsysteme eingesetzt werden.
Zwischen der Erfassungseinheit und den Reaktionskammern (2) ist vorzugsweise eine Linse (29) angeordnet. Diese dient zur Fokussierung der aus den Reaktionskammern emittierten Strahlung auf die Erfassungseinheit (28).
In der Linie zwischen der Erfassungseinheit (28) und den Reaktionskammern (2) können ebenfalls ein oder mehrere Filter (30) angeordnet sein, um die aus den Reaktionskammern (2) emittierte Elektromagnetische Strahlung gezielt auszuwählen und selektiv auszuwerten. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Band-Pass-Filter, beispielsweise Interferenzfilter, die nur elektromagnetische Strahlung mit bestimmten Wellenlängen in die Erfassungseinheit (28) gelangen lassen. Erfindungsgemäss bevorzugt ist der Filter (30) so konstruiert, dass er nur elektromagnetische Strahlung passieren lässt, die eine von der von den Lichtquellen (24, 25) ausgesendeten Strahlung verschiedene Frequenz aufweist. Damit wird verhindert, dass irrtümlicherweise Strahlung direkt aus den Lichtquellen (24, 25) in die Erfassungseinheit (28) gelangt und dort als Signal ausgewertet wird.
Das erfindungsgemässe Gerät umfasst weiterhin eine Steuereinheit. Diese umfasst eine Zentraleinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor, mit dem die Lichtquellen (24, 25) aktiviert werden, die Heizeinrichtung (8a) und die Temperaturmesseinrichtung (8b) gesteuert werden. Weiterhin umfasst das Gerät eine Signalverarbeitungseinheit, mit der von der Erfassungseinheit (28) gesendete Signale aufgenommen und verarbeitet werden. Die in die Zentraleinheit und/oder Signalverarbeitungseinheit eingehenden Signale be- ziehungsweise die von der Zentraleinheit ausgehenden Signale werden gegebenenfalls ausserhalb der Zentraleinheit in Einheiten zur Verstärkung beziehungsweise Modulation von Signalen, beispielsweise in Messverstärkern, Leistungsverstärkern oder Digitali- sierungseinheiten, vor dem Eintritt in die Zentraleinheit beziehungsweise nach dem Austritt aus der Zentraleinheit verändert. In der Steuereinheit ist weiterhin eine Software zum Systembetrieb enthalten. Diese Software kann entsprechend den mit dem System durchzuführenden Vorgängen ausgewählt werden.
Die Steuereinheit steht vorzugsweise mit der Heizeinrichtung (8a) und der Temperaturmesseinrichtung (8b) über die Kontakte (9, 10) in Verbindung, wenn sich die Reaktionsvorrichtung in der in das Gerät eingeführten Position befindet.
In dem erfindungsgemässen Gerät kann somit die Temperatur sehr schnell und präzise geregelt werden. Zudem können die Reaktionskammern (29) durch Aktivierung unterschiedlicher Lichtquellen (24, 25) selektiv angesprochen werden. Durch die Anordnung und Steuerung des optischen Systems im Gerät ist eine Bearbeitung und Auswertung selbst von Reaktionsmischungen mit geringem Volumen möglich.
Die Steuereinheit kann zusätzlich eine Eingabevorrichtung, beispielsweise ein Tastaturfeld oder ein Keyboard, und/oder eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise einen Monitor oder ein Flüssigkristall-Display umfassen. Über diese Einrichtungen kann das erfindungsgemässe Gerät bedient werden. Die Steuereinheit kann aber auch eine oder mehrere Schnittstellen enthalten. Über diese Schnittstellen kann die Steuereinheit an externe Geräte angeschlossen werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit über eine geeignete Schnittstelle mit einem externen Computer verbunden werden, über den das erfindungsgemässe Gerät dann bedient werden kann. Die Steuereinheit kann aber auch über eine geeignete Schnittstelle mit einem Drucker verbunden werden.
Die Steuereinheit kann innerhalb des erfindungsgemässen Geräts angeordnet sein. Wahlweise kann die Steuereinheit aber auch ausserhalb des erfindungsgemässen Geräts bereitgestellt sein. Diese Ausführungsform ist in Fig. 6 gezeigt. Ein Kontrollgerät (31) enthält die Steuereinheit. Zusätzlich enthält das Kontrollgerät (31 ) ein Tastaturfeld (32) sowie ein Display (33) zur Bedienung. Das Kontrollgerät ist über ein Kabel mit dem Gerät verbunden, in welchem die Reaktionsvorrichtung eingeführt ist. Das Gerät ist wie in Fig. 5 beschrieben aufgebaut.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Systems ist in Fig. 7 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Steuereinheit innerhalb des erfindungsgemässen Geräts. Es ist ein Tastaturfeld (32) sowie ein Display (33) zur Bedienung vorgesehen. Dies ist jedoch nur optional. Ebenso kann das Gerät wie vorstehend beschrieben über geeignete Schnittstellen mit einem externen Computer und/oder einem externen Drucker verbunden werden. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die Reaktionsvorrichtung (R) während des Befüllens mit Reaktionsmischung vorzugsweise innerhalb des Geräts. Das Befüllen kann über die zugängliche Öffnung (34) erfolgen. Die Öffnung (34) steht mit den Reaktionskammern der Reaktionsvorrichtung (R) über (nicht gezeigte) Kanäle in Verbindung. Das Gerät ist ansonsten wie in Fig. 5 beschrieben aufgebaut. Die Durchführung der chemischen Reaktion sowie der anschliessenden Auswertung erfolgt wie vorstehend beschrieben. Nach dem Einmalgebrauch kann die Reaktionsvorrichtung (R) durch die Öffnung (35) entnommen und gereinigt oder ausgetauscht werden.
Das erfindungsgemässe System basiert auf einer Fluoreszenzmessung zur Auswertung. Grundsätzlich könnten jedoch auch andere zur Auswertung chemischer Reaktionsmischungen verwendete optische Methoden verwendet werden.
Die erfindungsgemässe Reaktionsvorrichtung ist grundsätzlich für den Einmalgebrauch gedacht. Sie kann aber auch gereinigt und mehrmals verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemässen System können chemische Reaktionen durchgeführt und ausgeführt werden. Insbesondere ist das System aus Reaktionsvorrichtung und Gerät zur Durchführung von chemischen Reaktionen geeignet, bei denen kontrollierte Tempera- turcyclen durchlaufen werden müssen. Ein Beispiel für eine derartige Reaktion ist die einleitend beschriebene Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Mit dem erfindungsgemässen System kann sowohl der Verlauf der Reaktion durch ständige Fluoreszenzmessung als auch das erhaltene Reaktionsprodukt durch Fluoreszenzmessung ausgewertet werden. Das erfindungsgemässe System kann aber auch ausschliesslich zur Erfassung von Reaktionsmischungen verwendet werden. Wie vorstehend ausgeführt kann mit dem erfindungsgemässen System vorteilhaft eine Messung sehr geringer Volumina ausgeführt werden. Es ist daher auch vorteilhaft, Substanzen in die Reaktionskammern der Reaktionsvorrichtung eingefüllt werden, die ohne Durchführung einer chemischen Reaktion fluorometrisch erfasst werden können, und diese mit dem erfindungsgemässen System auszuwerten.
Zur Durchführung einer chemischen Reaktion wird zunächst die Reaktionsvorrichtung ausserhalb des restlichen Geräts mit der oder den zu bearbeitenden und analysierenden Reaktionsmischungen befüllt. Dies erfolgt üblicherweise, indem man herkömmliche Spritzen mit der oder den zu bearbeitenden und analysierenden Reaktionsmischungen befüllt und den Spritzeninhalt dann in mindestens eine Öffnung (3) einführt. Grundsätzlich sind hierfür aber auch beispielsweise Pipetten, Mikropipetten oder spezielle Kartuschen oder Ink-Jet-Techniken geeignet. Nach dem Befüllen wird die mindestens eine Öffnung (3) wie vorstehend beschrieben verschlossen und die Reaktionsvorrichtung in das Gerät eingeführt.
Im Gerät erfolgt die Durchführung der eigentlichen chemischen Reaktion nach dem Fachmann bekannten und von der jeweiligen Reaktion abhängigen Methoden. Im Fall der PCR wird im Gerät ein definierter Temperaturcyclus mehrmals durchfahren und so die Reaktionskammern (2) samt Inhalt über festgelegte Zeiträume auf unterschiedliche Temperaturen gebracht. Die für die PCR anzuwendenden Temperaturcyclen, Temperaturen sowie Zeiträume sind bekannt. Grundsätzlich kann die PCR in allen bekannten Varianten mit Hilfe des erfindungsgemässen Systems durchgeführt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform gemäss der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Reaktionsmischung enthaltend die zu amplifizierende und zu analysierende Nukleinsäure- Templat, Primer, Polymerase, dNTPs, sowie Fluoreszenzsonden über einen bestimmten Zeitraum auf 90-100°C zu erhitzen, gefolgt von einer Abkühlung, Halten bei einer tieferen Temperatur, sowie erneutem Erhitzen auf 72°C (abhängig von der verwendeten Polymerase), gefolgt von Denaturieren bei 90-100°C. In der Regel soll dieser Temperaturcyclus etwa 30-50 mal, vorzugsweise etwa 35-40 mal durchlaufen werden, bis man eine ausreichende Menge der gewünschten DNA vorliegen hat. Während der Durchführung der Reaktion kann eine wie nachstehend beschriebene Fluoreszenzmessung durchgeführt werden, um den Fortgang der Reaktion zu überwachen.
Anschliessend wird eine Fluoreszenzmessung der Reaktionsmischung durchgeführt. Hierfür wird die Reaktionsmischung einer kontinuierlichen Temperaturerhöhung, beispielsweise mit einer Erwärmungsrate von 0,1 °C/s bis zu 10°C/s, ausgesetzt, während elektromagnetische Strahlung mit einer für die Fluoreszenzmessung geeigneten Wellenlänge eingeleitet wird. Derartige Messverfahren und ihre Durchführung sind dem Fachmann bekannt.
Die von der Reaktionsmischung in der Reaktionskammer (2) emittierte Strahlung wird von der Erfassungseinheit aufgefangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird, gegebenenfalls nach vorheriger Modulation und/oder Verstärkung, in die Steuereinheit des Systems geleitet und dort mit einer entsprechenden Software ausgewertet. Die Auswertung fluorometrischer Messungen ist bekannt. Erfindungsgemäss bevorzugt wird das Ergebnis der Fluoreszenzmessung in Form der ersten negativen Ableitung (-dF/dT) ausgegeben.
Mit dem erfindungsgemässen System können selbst kleine Volumina im Bereich von einschliesslich 100 nl bis einschliesslich 2 μl zuverlässig bearbeitet und ausgewertet werden.
Die Durchführung einer PCR mit dem erfindungsgemässen System wird anhand eines nicht einschränkenden Beispiels veranschaulicht.
Beispiel 1
Die Reaktionskammern (2) wurden über die Öffnung (3) der Probenkammermatrix (1 ) mit zwei Reaktionsmischungen befüllt. Eine der Reaktionsmischungen enthielt geringe Mengen an Nukleinsäuren des Bakteriums Escherichia coli (E.coli). Die zweite Reaktionsmischung enthielt geringe Mengen an Nukleinsäuren des Bakteriums Streptokokkus pneumoniae. Das Befüllen der Reaktionskammern (2) erfolgte mit Hilfe herkömmlicher Insulinspritzen. Anschliessend wurde die Öffnung (3) verschlossen und die Reaktionsvorrichtung in das Gerät eingeführt. An die Reaktionskammern (2) wurde das in Fig. 7 gezeigte Temperaturprofil angelegt. Nachdem die Reaktionsmischungen über einen Zeitraum von 250 s auf 95°C erhitzt wurden, erfolgt eine Abkühlung auf 48°C. Nach Halten für 20 s bei 48°C erfolgt ein erneutes Erhitzen auf 72°C für 20 s, gefolgt von Erhitzen auf 95°C für 5 s. Dieser Cyclus wurde etwa 30-45 mal wiederholt, bis eine ausreichende Menge an bakterieller DNA in den Reaktionskammern gebildet war (nach 1 - 1.5 h).
Die Fluoreszenzmessung erfolgte während langsamer Erwärmung der in den Reaktionskammern befindlichen Reaktionsmischungen. Es kommt mit zunehmender Temperatur zu einer Abnahme der Fluoreszenz. Bei der Schmelztemperatur sind 50% der Sonden von der Nukleinsäure abgeschmolzen. An diesem Punkt ist in der ersten negativen Ableitung (-dF/dT) der Messkurven ein Maximum sichtbar, das für eine bestimmte Reaktionsmischung spezifisch ist.
In den Fig. 8 und 9 sind die jeweiligen ersten negativen Ableitungen (-dF/DT) der Fluoreszenzmesskurven der beiden untersuchten Reaktionsmischungen gezeigt. Es sind jeweils charakteristische Maxima für DNA von E. coli beziehungsweise Streptokokkus pneumoniae erkennbar.
Mit dem erfindungsgemässen System ist es somit möglich, zwischen unterschiedlichen in einer Reaktionsmischung befindlichen Polynukleotiden (DNA oder RNA) zu differenzieren. Es ist ebenso möglich, verschiedene Mutationen in Polynukleotiden mit dem erfindungsgemässen System nachzuweisen. Somit kann das erfindungsgemässe System zum Nachweis von Bakterien, Viren oder bestimmten DNA-Mutationen eingesetzt werden. Neben der Diagnose von Krankheiten oder Veranlagungen für Krankheiten kann das erfindungsgemässe System somit auch für das Gebiet der Pharmacogenomics verwendet werden, d.h. der individuell nach der genetischen Veranlagung des Patienten ausgelegten Therapie, beziehungsweise für Phytochemie, Veterinärmedizin, Veterinärbiochemie, Mikrobiologie oder allgemein für Gebiete, bei denen Polynukleotidana- lytik betrieben werden muss.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktionsvorrichtung, umfassend eine Probenkammermatrix (1 ), enthaltend mindestens zwei Reaktionskammern (2), deren Deckflächen und einer Lichtquelle (24, 25) oder einer benachbarten Reaktionskammer zugewandten Seitenwände für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig sind; sowie mindestens eine Öffnung (3).
2. Reaktionsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Aufheizeinrichtung (8a) und/oder eine Temperaturmesseinrichtung (8b) umfasst sind.
3. Reaktionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammermatrix (1 ) in einem Körper (1 ') ausgebildet ist, der für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässig ist.
4. Reaktionsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammermatrix (1 ) in den Körper (1 ') eingeätzt sind.
5. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (3) mit den Reaktionskammern (2) verbunden ist.
6. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammermatrix (1 ) eine Anordnung von Reaktionskammern (2) umfasst, bei der die Reaktionskammern (2) in einer Reihe angeordnet sind.
7. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammermatrix (1 ) eine Anordnung von Reaktionskammern (2) umfasst, bei der die Reaktionskammern (2) in vertikalen und horizontalen Reihen zueinander angeordnet sind, so dass die Reaktionskammern (2) durch zwei im rechten Winkel zueinander angeordneten Reihen von Lichtquellen durchleuchtet werden können.
8. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Reaktionskammern (2) in der Probenkammermatrix (1 ) jeweils miteinander durch eine Seitenwand verbunden sind.
9. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Reaktionskammern (2) in der Probenkammermatrix (1 ) ein Freiraum vorhanden ist.
10. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Reaktionskammern (2) eine oder mehrere chemische Substanzen enthalten.
1 1 . Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aufheizeinrichtung (8a) und der Probenkammermatrix (1 ) eine Schicht (6) aus wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Silicium oder wärmeleitfähigen Siliciumverbindungen, angeordnet ist.
12. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizeinrichtung (8a) ein Heizwiderstand, vorzugsweise aus einem Metall, bevorzugt aus Kupfer oder einem Edelmetall ist.
13. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (8b) ein Temperaturmesswiderstand, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Heizwiderstand (8a), besonders bevorzugt aus Kupfer ist.
14. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Abkühleinrichtung (13), vorzugsweise ein Peltier- Kühlelement, umfasst ist.
15. Reaktionsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühleinrichtung (13) unterhalb eines Trägers (12) angeordnet ist.
16. Reaktionsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aufheizeinrichtung (8a) und dem Träger (12) eine Schicht (1 1 ) aus einem wärmeisolierenden Material, vorzugsweise Glas, angeordnet ist.
1 7. Reaktionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Verschluss (14, 15, 16, 17) für die mindestens eine Öffnung (3) umfasst ist.
18. Reaktionsvorrichtung nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (14, 15, 16, 17) für die Öffnung (4) mit einem Deckel (17) eines Gehäuses (19), in welchem sich die Reaktionsvorrichtung befindet, verbunden ist, wobei der Deckel in dem Bereich oberhalb der Probenkammermatrix (1 ) ein Fenster (20) aus einem für elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich durchlässigen Material oder eine Öffnung (20) aufweist.
19. Gerät (G) zur Durchführung und Detektion chemischer Reaktionen, umfassend a) mindestens eine Lichtquelle (24, 25), welche elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich emittiert; b) eine Erfassungseinheit (28) zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich, wobei diese Einheit (28) im rechten Winkel zu der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) angeordnet ist; c) eine Steuereinheit umfassend eine Zentraleinheit zur Steuerung der Temperatur und der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) sowie eine Signalverarbeitungseinheit zur Aufnahme und Verarbeitung eines Signals von der Erfassungseinheit (28); d) eine Öffnung (H) zur Aufnahme einer Reaktionsvorrichtung (R) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Reaktionsvorrichtung (R) sich in der Ebene der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) und unterhalb der Erfassungseinheit (28) befindet.
20. Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Einrichtungen zur Signalverstärkung enthalten sind.
21 . Gerät (G) nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einen Lichtquelle (24, 25) und der Öffnung zur Aufnahme der Reaktionsvorrichtung (R) und/oder zwischen der Erfassungseinrichtung (28) und der Öffnung zur Aufnahme der Reaktionsvorrichtung (R) Filter (26, 27, 29), vorzugsweise Interferenzfilter, angeordnet sind.
22. Gerät (G) nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Reihen von Lichtquellen (24, 25), welche elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich emittieren, enthalten sind, wobei jede Reihe mindestens eine derartige Lichtquelle (24, 25) umfasst.
23. Gerät (G) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsvorrichtung (R) im eingeführten Zustand über eine Öffnung (34) befüllt wird und über eine Öffnung (35) in das Gerät eingeführt oder aus dem Gerät entnommen werden kann.
24. Verfahren zur Durchführung einer fluorometrisch auswertbaren Reaktion, enthaltend die Schritte a) Bereitstellung von Reaktionsmischungen, in denen fluoreszierende Bestandteile enthalten sind oder im Verlauf der chemischen Reaktion gebildet werden; b) Durchführung der chemischen Reaktion durch Einstellung mindestens einer Reaktionstemperatur in den Reaktionsmischungen; c) Anregung der Reaktionsmischungen durch elektromagnetische Strahlung in einem für Fluoreszenzmessung erforderlichen Bereich; d) Fluorometrische Auswertung der Reaktionsmischungen durch Messung der emittierten Fluoreszenzstrahlung; dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) wenigstens eine Reaktionsmischung gleichzeitig durch die elektromagnetische Strahlung angeregt wird und in Schritt d) die emittierte Fluoreszenzstrahlung von wenigstens dieser einen Reaktionsmischung erfasst und ausgewertet wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) wenigstens zwei Reaktionsmischungen gleichzeitig durch die elektromagnetische Strahlung angeregt werden und in Schritt d) gleichzeitig die emittierte Fluoreszenzstrahlung dieser Reaktionsmischungen erfasst und ausgewertet wird, wobei die Reaktionsmischungen in Schritt c) mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Intensität angeregt werden, so dass die Intensität der von den Reaktionsmischungen emittierten Fluoreszenzstrahlung unterschiedlich ist und die Reaktionsmischungen aufgrund unterschiedlicher Signalintensität selektiv auswertbar sind.
26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) wenigstens zwei Reaktionsmischungen gleichzeitig durch die elektromagnetische Strahlung angeregt werden und in Schritt d) gleichzeitig die emittierte Fluoreszenzstrahlung dieser Reaktionsmischungen erfasst und ausgewertet wird, wobei Reaktionsmischungen mit fluoreszierenden Bestandteilen ausgewählt werden, die bei unterschiedlichen Frequenzen Fluoreszenzstrahlung emittieren, so dass die Reaktionsmischungen aufgrund unterschiedlicher Signal intensität selektiv auswertbar sind.
27. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) wenigstens zwei Reaktionsmischungen gleichzeitig durch die elektromagnetische Strahlung angeregt werden und in Schritt d) gleichzeitig die emittierte Fluoreszenzstrahlung dieser Reaktionsmischungen erfasst und ausgewertet wird, wobei bei einer oder mehreren Reaktionsmischungen die Emission von Fluoreszenzstrahlung durch Fluoreszenzlöschung verhindert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Reaktion die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist.
29. Verwendung einer Reaktionsvorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Durchführung chemischer Reaktionen, vorzugsweise der Polymerase- Kettenreaktion.
30. Verwendung eines Geräts gemäss einem der Ansprüche 19 bis 23 zur Durchführung chemischer Reaktionen, vorzugsweise der Polymerase-Kettenreaktion.
31 . System zur thermischen Steuerung von biochemischen Reaktionen in einer Reaktionsflüssigkeit und zur integrierten optischen Auswertung, umfassend
a) eine Reaktionsvorrichtung (R) mit eingebautem Heizwiderstand (8a) und Temperaturmesswiderstand (8b) und einer Probenkammermatrix (1 ) b) eine optische Ausleseeinheit, enthaltend zwei rechtwinklig angeordnete Reihen von Lichtquellen (24, 25) und eine in der dritten Raumrichtung angebrachte Erfassungseinheit (28), sowie c) eine Steuereinheit zur Steuerung des Systems.
32. System gemäss Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass dessen Steuereinheit ein sequentielles Ansteuern der Lichtquellen (24, 25) und gleichzeitiges Auslesen der Erfassungseinheit (28), womit die optische Aktivität der einzelnen Reaktionsmischungen in den Reaktionskammern (2) berechnet werden kann.
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