Die Erfindung betrifft eine Kartusche und ein Verfahren zur Durchführung einer Reaktion zwischen einem Probenfluid und wenigstens einem Reagens. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kartuschenkörper und ein Trägerelement für diesen.

Eine solche Kartusche und das Verfahren können z.B. eingesetzt werden zur Durchführung von LAMP Assays, z.B. um eine Viruslast oder andere Keime in einem flüssigen Probenfluid festzustellen oder DNA/RNA-basierte Biomarker nachzuweisen. Die Abkürzung LAMP steht für Loop-mediated isothermal amplification und benennt eine Methode zur Vervielfältigung von DNA. Für RNA kommt in der Kartusche rtLAMP zu Einsatz. Hierbei ist der Amplifikation eine reverse Transkription der viralen RNA in DNA vorangestellt. Die Methode ist einfacher durchzuführen als Polymerase-Kettenreaktionen und gewinnt vor dem Hintergrund der aktuellen Covid-19 Pandemie zunehmend an Bedeutung. Die Methode eignet sich, um z.B. anhand eines bei der Reaktion stattfindenden Farbumschlags oder veränderter Fluoreszenz das Vorhandensein einer bestimmten Virus-DNA oder Virus-RNA, z.B. des sogenannten Corona-Virus und seiner Mutationen nachzuweisen.

Die Anwendung der Erfindung ist zwar bei LAMP-Assays bevorzugt, aber auf solche nicht beschränkt. Grundsätzlich können mit der Erfindung jegliche Reaktionen zwischen einem vorzugsweise flüssigen Probenfluid und einem vorzugsweise flüssigen Reagenzfluid vorgenommen werden.

Andere Assays wären z.B. Rekombinase-Polymerase-Amplifikation (RPA), Helikase-abhängige Amplifikation (HDA), transkriptionsvermittelte Amplifikation (TMA), Rolling-Circle-Replikation (RCR), pulsgesteuerte Amplifikation (PCA), Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Enzyme-Iinked Immunosorbent Assay (ELISA).

Die Kartusche und das Verfahren dienen dazu, ein vorzugsweise flüssiges Probenfluid, im welchem z.B. Viren-DNA/RNA vorhanden sein kann, und vorzugsweise flüssiges Reagenzfluid miteinander in der Kartusche in Kontakt zu bringen, um nach Kontakt eine Reaktion zwischen den Bestandteilen der Fluide stattfinden zu lassen, z.B. bei einem LAMP-Assay die Vervielfältigung von DNA.

Es kann vorgesehen sein, dass Ergebnis einer Reaktion direkt an der Kartusche auswerten zu können, z.B. abzulesen, oder photographisch oder videographisch oder mittels Fluoreszenz zu erfassen und mittels einer Software auszuwerten. Wie zuvor erwähnt kann eine Reaktion z.B. einen beobachtbaren Farbumschlag, ein Trübung oder auch einen Anstieg eines Fluoreszenzsignals bewirken.

Unter einer Kartusche im Sinne der Erfindung wird vorzugsweise eine Anordnung verstanden, z.B. ein dreidimensionaler Körper oder Gehäuse, in welche für die Fluidführung und für Durchführung einer Reaktion vorgesehene Raumbereiche, z.B. Kanäle und Kammern, integriert sind. Eine Kartusche solcher Art erschließt die Möglichkeit die bestimmte Reaktion zwischen Proben und Reagenzien auch ohne vorliegende Laborbedingungen durchzuführen.

Eine Kartusche und ein Verfahren zur Durchführung einer Reaktion zwischen einem Probenfluid und wenigstens einem Reagens ist beispielsweise bekannt aus der Publikation Ganguli A et al. : Rapid isothermal amplification and portable detection System for SARS-CoV-2. PNAS: September 15, 2020, vol 117, no. 37, 22727-22735.

Die dort gezeigte durch 3D-Druck hergestellte Kartusche umfasst einen Probenkanal und einen Reagenzkanal, die jeweils einen Eingangsport aufweisen, an den eine Spritze angesetzt werden kann, um den betreffenden Kanal mit Probenfluid oder Reagenzfluid zu füllen. In dieser gezeigten Kartusche vereinen sich beide Kanäle zu einem einzigen Mischkanal, in welchem nach dem Vereinigungsort beide Fluide gemeinsam geführt und in einer mäanderförmig geführten Mischstrecke vermischt werden, und der nach der Mischstrecke in eine Reaktionskammer mündet, in welcher die Reaktion stattfinden und erfasst werden kann, hier z.B. messtechnisch mittels einer Kamera.

Problematisch ist bei der bekannten Kartusche, dass der Volumenanteil von dem Probenfluid im Verhältnis zum Reagenzfluid nicht genügend genau bestimmt werden kann. Vielmehr hängt es vom Geschick eines Anwenders ab, wieviel Probenfluid und wieviel Reagenz mittels des Reagenzfluids er mit den jeweiligen Spritzen in den jeweiligen Kanal injiziert. Häufig werden für Reaktionen nur sehr kleine Volumina von Probenfluid benötigt, z.B. nur im Bereich weniger Mikroliter. Beschränkungen auf so geringe Volumina lassen sich hingegen durch Injektion mit einer Spritze nur schwer reproduzierbar realisieren. Es besteht daher die Gefahr, dass zu viel Probenfluid verwendet wird, wonach die Vervielfältigungsreaktion nicht sicher genug stattfinden kann oder dass bei zu vorsichtigem Vorgehen auch zu wenig Probenfluid injiziert wird.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Kartusche und ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem das Volumen der Probenflüssigkeit, das für eine bestimmte Reaktion mit dem Reagenz benötigt wird, genauer bestimmt werden kann, insbesondere mit dem sichergestellt wird, dass genügend, aber nicht zu viel Probenflüssigkeit mit dem Reagenz in Kontakt gelangt. Weiterhin ist es eine Aufgabe, auch die Menge an Reagenz in der Reaktionskammer einer Kartusche besser einstellen zu können. Eine weitere Aufgabe ist es ebenso, eine zumindest zum Teil wiederverwertbare Kartusche auszubilden. Eine Aufgabe besteht auch darin die Herstellung der Kartusche zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Kartusche wenigstens ein Kanalpaar aufweist, welches einen Probenkanal umfasst, in den ein Probenfluid einleitbar ist, und einen Reagenzkanal umfasst, in den ein Reagenzfluid einleitbar ist, wobei der Probenkanal und der Reagenzkanal einander kreuzend angeordnet sind. Unter kreuzend wird dabei verstanden, dass sich Probenkanal und Reagenzkanal im Kreuzungsbereich durchdringen, dort also einen gemeinsamen Volumenbereich aufweisen. Jeder der beiden Kanäle erstreckt sich über den Kreuzungsbereich hinweg. Vorzugsweise sind beim Probenkanal und/oder beim Reagenzkanal die Kanalabschnitte beidseits des Kreuzungsbereiches fluchtend. Insbesondere weisen die beiden Kanalabschnitte beidseits des Kreuzungsbereiches dieselbe Mittelachse und gleichen Querschnitt auf.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Querschnitte vom Probenkanal und Reagenzkanal zumindest bei den in den Kreuzungsbereich mündenden Kanalabschnitten gleich sind. Dies ist jedoch nicht zwingend, sie können auch unterschiedlich sein.

Bei einer solchen sich kreuzenden Konfiguration der Kanäle kann erfindungsgemäß erzielt werden, dass Probenfluid nur aus dem Kreuzungsbereich in den Reagenzkanal überführbar ist, nämlich in den stromabwärts vom Kreuzungsbereich liegenden Teil des Reagenzkanales, wenn dieser befüllt wird.

Anders als beim oben genannten Stand der Technik gibt es also keinen Mischkanal, in dem sich beliebige, insbesondere unbestimmbare Mengen von Fluid aus beiden Kanälen vereinen können. Das an der Reaktion teilnehmende Volumen des Probenfluids stammt bei der Erfindung hingegen nur aus einem um den Kreuzungsmittelpunkt beider Kanäle stammenden Bereich. Deswegen ist bei der Erfindung das Volumen beschränkt und deterministisch vorbestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Probenkanal mit einem Probenfluid bis über den Kreuzungsbereich hinaus gefüllt wird, an dem der Probenkanal von dem Reagenzkanal gekreuzt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Kreuzungsbereich vom Probenfluid vollständig ausgefüllt wird. Dabei ist es für die Erfindung unerheblich, wieviel Probenfluid insgesamt in den Probenkanal eingefüllt wird, da dieses über den Kreuzungsbereich hinaus in den vom Kreuzungsbereich stromabwärts liegenden Bereich des Probenkanals fließt und dort verbleibt oder auch aus dem Probenkanal wieder zur Umgebung bzw. einem Auffangbehälter austritt.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Füllen des Probenkanals der Kartusche durch einen Eingangsport des Probenkanales an der Kartusche bei gleichzeitiger Entlüftung des Probenkanales an dessen Ausgangsport an der Kartusche erfolgt. So wird ein Druckaufbau im Probenkanal bei dessen Befüllung vermieden.

Der Probenkanal erstreckt sich vorteilhaft zwischen seinem an der Kartusche befindlichen Eingangsport und seinem an der Kartusche befindlichen Ausgangsport, wobei zwischen diesen Ports der Kreuzungsbereich liegt.

Weiter bevorzugt erfolgt das Füllen des Probenkanales bei gleichzeitiger vorliegender Abdichtung des Reagenzkanales gegenüber der Umgebung.

Dadurch wird sichergestellt, dass am Kreuzungsbereich kein oder nur kaum Probenfluid in den Reagenzkanal eintritt, weil dafür aus dem Reagenzkanal Fluid, zumindest die vorliegende Luft vom Probenfluid verdrängt werden müsste, was bei Abdichtung gegenüber der Umgebung nicht möglich ist.

Es folgt sodann das Füllen des Reagenzkanales mit einem Reagenzfluid über den Kreuzungsbereich hinaus, an dem der Reagenzkanal von dem Probenkanal gekreuzt wird, bis hinein in den stromabwärts vom Kreuzungsbereich liegenden Kanalabschnitt des Reagenzkanals, vorzugsweise bis hinein in einen Reaktionsraum, in welchen der Reagenzkanal einmündet, wobei das im Kreuzungsbereich befindliche Probenfluid, das zuvor eingefüllt wurde, aus dem Kreuzungsbereich heraus in den stromabwärts vom Kreuzungsbereich liegenden Kanalabschnitt des Reagenzkanals, vorzugsweise bis in einen Reaktionsraum, überführt wird.

Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Füllen des Reagenzkanals durch einen Eingangsport des Reagenzkanales bei gleichzeitiger Entlüftung des Reagenzkanals am Ausgangsport erfolgt. So wird ein Druckaufbau im Reagenzkanal bei dessen Befüllung vermieden. Der Reagenzkanal erstreckt sich vorteilhaft zwischen seinem an der Kartusche befindlichen Eingangsport und seinem an der Kartusche befindlichen Ausgangsport, wobei zwischen diesen Ports der Kreuzungsbereich liegt.

Weiter bevorzugt erfolgt die Befüllung des Reagenzkanales bei gleichzeitiger vorliegender Abdichtung des Probenkanals gegenüber der Umgebung. Füll- und Entlüftungsmittel, die ggfs zuvor am Probenkanal an dessen Ports angeschlossen wurden, können dafür z.B. wieder entfernt werden. Alternativ werden die Ports des Probenkanals auf andere Weise geschlossen. Dadurch wird sichergestellt, dass kein oder nur kaum im Kreuzungsbereich vorliegendes Probenfluid in den Probenkanal zurückgedrängt werden kann, weil dafür aus dem schon zumindest bereichsweise gefüllten Probenkanal das Probenfluid verdrängt werden müsste, was bei Abdichtung gegenüber der Umgebung nicht möglich ist.

Die bestehende Füllung des Probenkanales bewirkt somit, dass das am Kreuzungsbereich vorliegenden Probenfluid bei Füllung des Reagenzkanals nur in den vorzugsweise entlüfteten, stromabwärts vom Kreuzungsbereich liegenden Kanalabschnitt des Reagenzkanals gedrückt wird. Es kann vorgesehen sein, dass das Probenfluid aus dem Kreuzungsbereich durch das stromaufwärts vom Kreuzungsbereich im Reagenzkanal stehende Luftpolster verschoben wird, welches das Reagenzfluid bei Befüllung vor sich herschiebt.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Reagenzkanal vor der Befüllung des Probenkanales mit Reagenzflüssigkeit gefüllt wird. Die vorgenannten Verfahrensschritte können dann genauso durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird allgemein als Port eine Schnittstelle an der Kartusche bezeichnet, die ein Einfüllen oder auch ein Ablassen von Fluid, z.B. Flüssigkeit oder auch Gas / Luft erlaubt. Dabei ist ein Eingangsport zum Einfüllen / Injizieren von Flüssigkeit in den betreffenden Kanal vorgesehen und ein Ausgangsport zur Entlüftung oder auch zum Ablassen von Flüssigkeit aus dem betreffenden Kanal vorgesehen. Ports können z.B. eine mechanische Anschlußschnittstelle aufweisen für ein Füllmittel / Applikationsmittel, wie z.B. eine Spritze. Z.B. kann ein Port ein sogenanntes Luer-Lock aufweisen. Ebenso kann ein Port eine Durchstech- Membran aufweisen, z.B. zum Durchstechen mittels einer Kanüle. Eine solche Membran schließt sich vorteilhafter Weise beim Herausziehen der Kanüle.

Ein Port kann weiterhin ein im Querschnitt gegenüber den sonstigen Kanalbereichen vergrößerter Bereich sein. Er kann weiterhin vorzugsweise z.B. ursprünglich offen und durch Anschluß von z.B. einer Spritze schließbar sein oder umgekehrt und bevorzugt ursprünglich geschlossen und durch Einstechen mit eine Kanüle öffenbar. Ein Port kann auch ein Ventil umfassen um diesen wahlweise öffnen oder schließen zu können. Insbesondere ein Ausgangsport des Probenkanals und/oder Reagenzkanals kann auch einen Filter aufweisen, um eine Kontamination der Umgebung mit evtl austretenden Fluid zu vermeiden.

Bevorzugt weist jeder der beiden Kanäle sein eigenes Paar von Eingangsport und Ausgangsport auf. Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Kanäle einen gemeinsamen Ausgangsport aufweisen, insbesondere wenn durch den Ausgangsport nur eine Entlüftung bei Kanalbefüllung vorgesehen ist.

Eine mögliche Ausführung kann auch vorsehen, dass der Probenkanal, insbesondere dessen Eingangsport, mit einer Probenaufnahmekammer, insbesondere für einen Probenträger, verbunden ist. In einem solchen Fall wird das vorzugsweise flüssige Probenfluid, welches die zu untersuchende Probe umfasst, nicht von außerhalb der Kartusche in diese überführt, sondern in dieser hergestellt, nämlich in der innerhalb der Kartusche liegenden Probenaufnahmekammer.

Dafür wird die Probe direkt oder anhaftend an einem Probenträger in die Probenaufnahmekammer überführt und dort mit einer Trägerflüssigkeit in Kontakt gebracht, in welches die Probe Übertritt und hierdurch das flüssige Probenfluid bildet.

Der Eingangsport des Probenkanals kann ein Bereich der Probenaufnahmekammer sein, in den das Probenfluid aus der Probenaufnahmekammer überführt werden kann, z.B. durch Verkippen der Kartusche.

An der Probenaufnahmekammer kann ein Anschluss vorgesehen sein, um diese mit Druck zu beaufschlagen und so das Probenfluid aus der Probenaufnahmekammer über den Eingangsport in den Probenkanal und über den Kreuzungsbereich hinaus zu drücken, vorzugsweise bei gleichzeitiger Entlüftung am Ausgangsport des Probenkanals.

Die Erfindung schließt grundsätzlich aus, dass zu viel Probenfluid bei der Reaktion verwendet wird. Eine Falschbefüllung durch Überfüllung wird wirksam verhindert.

Vorzugsweise erschließt die Erfindung gegenüber dem genannten Stand der Technik, dass das zu transferierende Probenfluidvolumen auf ein bekanntes Maß beschränkt ist, vorzugsweise definiert ist, nämlich auf bzw. als das Volumen von dem Probenfluid, welches im Kreuzungsbereich beider Kanäle steht, denn nur dieses wird bei der nachfolgenden Befüllung des Reagenzkanales mit Reagenzfluid aus dem Kreuzungsbereich herausbewegt und nur dieses liegt der Reaktion zugrunde.

Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Kreuzungsbereich das Transfervolumen begrenzt auf oder definiert als dasjenige Volumen, welches gleichzeitig im Probenkanal und dem Reagenzkanal angeordnet ist, multipliziert mit einem Faktor U, wobei der Faktor zwischen 0.75 und 1.25, vorzugsweise zwischen 0.8 und 1.2, weiter bevorzugt zwischen 0.9 und 1.1, noch weiter bevorzugt zwischen 0.95 und 1.05, noch weiter bevorzugt zwischen 0.99 und 1.01 liegt, besonders bevorzugt ist U=1.

Sofern im Kreuzungsbereich keine weiteren volumendefinierenden Elemente vorgesehen sind, kann das exakte Kreuzungsvolumen verstanden werden als das Volumen des Durchschnittskörpers zweier sich durchdringender Zylinder mit den Querschnitten beider sich kreuzender Kanäle. Aufgrund von Strömungseffekten und ggfs nicht ganz auszuschließender Verdrängungseffekte im Kreuzungsbereich kann das Transfervolumen größer oder kleiner sein als das exakte Kreuzungsvolumen. Dies wird durch den Faktor U berücksichtigt. Die Erfindung kann vorzugsweise vorsehen, dass das tatsächliche Transfervolumen um nicht mehr als 25% vom exakten Kreuzungsvolumen abweicht. Der Faktor U kann z.B. empirisch ermittelt werden und ist für eine bestimmte Kanalkonfiguration im Kreuzungsbereich ein fester Wert für alle Kartuschen dieser bestimmten Konfiguration.

Mit der Erfindung wird somit nicht nur erreicht, dass eine Überfüllung ausgeschlossen ist, sondern ist auch eine definierte Volumenangabe für das Transfervolumen vom Probenfluid möglich, die sich aus dem exakten geometrischen Kreuzungsvolumen ergibt.

Beispielsweise kann es mit der vorbeschrieben oder auch nachfolgenden Ausführung vorgesehen sein, dass das Transfervolumen, welches von dem Probenfluid aus dem Probenkanal in den Reagenzkanal stromabwärts vom Kreuzungsbereich transferiert wird, 0.5 bis 3 Mikroliter, vorzugsweise 1 bis 2 Mikroliter ist.

Eine andere mögliche Ausführung der Erfindung kann es auch vorsehen, dass im Kreuzungsbereich ein das Transfervolumen definierendes Element eingesetzt wird.

Dies ist vorzugsweise ein Ventil, insbesondere ein 4-Wege-Ventil. Ein solches Ventil weist z.B. ein Ventilstellglied mit einem Durchgangskanal auf, der in einer Stellung fluchtend zum Probenkanal und in anderer Stellung fluchtend zum Reagenzkanal eingestellt werden kann. Der Durchgangskanal kann somit den stromaufwärts vom Kreuzungsbereich liegenden Kanalabschnitt eines der beiden Kanäle mit dem stromabwärts vom Kreuzungsbereich liegenden Kanalabschnitt desselben Kanals verbinden. Am Ort des Kreuzungsbereiches kann daher mittels des Ventils entweder der Probenkanal über den Kreuzungsbereich hinweg durchgängig geschaltet werden, wobei gleichzeitig der Reagenzkanal am Kreuzungsbereich gesperrt ist oder der Reagenzkanal über den Kreuzungsbereich hinweg durchgängig geschaltet werden, wobei gleichzeitig der Probenkanal am Kreuzungsbereich gesperrt ist.

Vorzugsweise liegt die Drehachse des Ventilstellgliedes im Kreuzungsbereich, insbesondere verläuft sie durch den Kreuzungsmittelpunkt beider Kanäle.

In dieser Ausführung ist somit das Transfervolumen definiert durch das Volumen in dem Ventilstellglied des im Kreuzungsbereich liegenden Umschaltventils, insbesondere als das Volumen eines Durchgangskanals in dessen Ventilstellglied, mit dem am Ort des Kreuzungsbereiches alternativ der Probenkanal oder der Reagenzkanal durchgängig schaltbar ist.

Die Ausführung mit einem Ventil im Kreuzungsbereich hat den Vorteil, dass bei Befüllung eines der beiden Kanäle sich keinerlei Auswirkung auf den anderen der beiden Kanäle ergibt, da diese durch das Ventil voneinander entkoppelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Einsatz eines Ventiles in der Kartusche am Kreuzungsort somit vorsehen, dass beim Füllen des Probenkanals der Durchgangskanal im Ventilstellglied für den Probenkanal durchgängig gestellt ist und das vor dem Füllen des Reagenzkanales das am Kreuzungsort angeordnete Umschaltventil aus der Durchgangsstellung des Ventilstellgliedes für den Probenkanal in eine Durchgangsstellung des Ventilstellgliedes für den Reagenzkanal umgeschaltet wird, wodurch das im Ventilstellglied bzw. in dessen Durchgangskanal vorhandene Probenfluid aus dem Probenkanal in den Reagenzkanal überführt wird.

Unabhängig von der konkreten Ausführung der Kartusche am Kreuzungsbereich, insbesondere also ob mit oder ohne volumendefinierendes Element (Ventil), kann die Erfindung vorzugsweise vorsehen, dass der Reagenzkanal beabstandet zum Kreuzungsbereich, insbesondere stromabwärts von diesem, einen Reaktionsraum aufweist, insbesondere mit einem Querschnitt, der größer ist als der Querschnitt des in den Reaktionsraum mündenden Reagenzkanals. In diesem Reaktionsraum können das überführte Probenfluid und die Reagenzien bzw. das Reagenzfluid vermischt vorliegen und reagieren. Die Vermischung kann im Reaktionsraum stattfinden und/oder zwischen dem Kreuzungsbereich und dem Reaktionsraum, z.B. in einer Mischstrecke des Reagenzkanals, insbesondere die mäanderförmig ausgebildet ist oder die Mischung unterstützende Elemente umfasst.

Die Erfindung kann auch eine Ausführung mit einem zweiten Ventil vorsehen, das zusätzlich zu dem volumendefinierenden Ventil vorgesehen ist. Eine solches zweites Ventil ist stromabwärts des Reaktionsraumes angeordnet. Dieser ist sodann zwischen beiden Ventilen angeordnet und durch beide Ventile komplett von dem Reagenzkanal separierbar, wofür beide Ventile in einen den Reagenzkanal sperrende Stellung bringbar sind. Beide Ventil können mechanisch aneinander gekoppelt sein, so dass die Bewegung eines der Ventile die Bewegung des anderen bewirkt.

Die Erfindung kann in einer möglichen Ausführung vorsehen, dass das Reagenzfluid, welches durch den Eingangsport des Reagenzkanales in diesen injiziert wird, bereits die für die Reaktion nötigen Reagenzien umfasst, insbesondere in gelöster Form.

Eine andere Möglichkeit kann aber auch vorsehen, im Reagenzkanal, vorzugsweise in dessen Reaktionsraum oder in einem Bereich stromaufwärts des Reaktionsraums, vorzugsweise zwischen Kreuzungsbereich und Reaktionsraum ein Reagenz, vorzugsweise ein lyophilisiertes Reagenz deponiert ist.

In einem solchen Fall ist es vorgesehen, dass das über den Eingangsport injizierte Reagenzfluid selbst keine Reagenzien für die Reaktion enthält, sondern einfaches Wasser oder ein Lösungsmittel ist. Der Begriff Reagenzfluid impliziert bei der Erfindung also nicht zwingend das Vorhandensein von Reagenzien im Fluid zum Zeitpunkt von dessen Injektion in die Kartusche.

Diese Ausführung mit einem Reagenziendepot in der Kartusche hat den Vorteil, dass die Menge an Reagenzien genau in dem Depot vorbestimmt sein kann. Weiterhin ist deponiertes Reagenz, besonders in lyophilisierter Form besonders lange haltbar bzw. reaktionsfähig. Die Kartusche kann - wie im Stand der Technik - als Kunststoffkörper vorliegen mit darin ausgebildeten Kanälen und ggfs. Raumen und Ports. Ein solcher Kunststoffkörper kann z.B. generativ hergestellt sein, z.B. durch 3D-Druck oder auch durch Urformen, wie z.B. Spritzgießen oder Blaßformen.

Eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht es vor, dass die Kartusche einen Kartuschenkörper aufweist, der auf einem Trägerelement angeordnet ist, wobei die Kanäle bereichsweise vom Kartuschenkörper und bereichsweise vom Trägerelement umgrenzt sind. Kartuschenkörper und Trägerelement bilden somit erst zusammen die Kartusche. Daher besteht die Möglichkeit eines der Element, vorzugsweise das Trägerelement wiederverwendbar auszubilden. Vorzugsweise münden alle fluidfüllbaren Raumbereiche des Kartuschenkörpers in eine plane Verbindungsfläche, über welche der Kartuschenkörper mit einer planen Oberfläche des Trägerelements verbunden ist.

Das Trägerelement kann z.B. als eine Platte, vorzugsweise Glasplatte ausgebildet sein, die eine plane Verbindungsfläche aufweist, an welcher der Kartuschenkörper mit der ebenso planen Verbindungsfläche zur Bildung der Kartusche befestigt wird.

Beispielsweise kann es die Erfindung vorsehen, ein Mikroskop-Objektträgerglas als Trägerelement für den Kartuschenkörper zu verwenden.

Das Trägerelement, insbesondere die Glasplatte, kann ein Depot von Reagenz, vorzugsweise ein lyophilisiertes Reagenz an demjenigen Ort aufweisen, welcher nach Zusammenfügen mit einem Kartuschenkörper, im Reagenzkanal der Kartusche liegt, vorzugsweise im Reaktionsraum des Reagenzkanals. Es können so z.B. industriell Trägerelemente mit Reagenziendepot hergestellt werden, die nach Zusammenfügen mit dem Kartuschenkörper die einsatzfähige Kartusche bilden.

Besonders bevorzugt ist der Kartuschenkörper aus einem elastomeren, vorzugswiese flexiblen Material ausgebildet, besonders bevorzugt aus einem Silikon. Der Kartuschenkörper wird somit vorzugsweise durch ausvulkanisiertes Silikon gebildet.

Weiter ist es bevorzugt, wenn der Kartuschenkörper und das Trägerelement miteinander adhäsiv, insbesondere ohne Zwischenfügung von Kleber, verbunden und rückstandfrei voneinander lösbar sind. Dies kann z.B. bei Einsatz von Silikon beim Kartuschenkörper und bei Einsatz einer Glasplatte beim Trägerelement problemlos erfolgen, da Silikon selbst im ausvulkanisierten Zustand ein hohes Haftvermögen an Glas hat. Ebenso besteht die Möglichkeit einen Kleber zur Verbindung von Kartuschenkörper und Trägerelement einzusetzen.

Die vorgenannten Ausführungen erschließen die Möglichkeit zur Herstellung eines Kartuschenkörpers eine Negativform zu verwenden, insbesondere durch deren Form der Verlauf und Ort der Kanäle, insbesondere auch der Ports und / oder des Reaktionsraumes definiert ist. Der Grund / der Boden der Negativform bildet vorzugsweise eine plane Fläche aus, von der Stege aufstehen, welche zumindest die Kanäle definieren, vorzugsweise auch die Ports.

Durch Ausgießen der Negativform mit einer Gießmasse, z.B. Silikon kann der Kartuschenkörper von der Negativform abgeformt werden und zusammen mit einem Trägerelement, insbesondere einer Glasplatte die Kartusche bilden.

Vorzugsweise sind in dieser Ausbildung die Ports so ausgestaltet, dass diese Membranen aus Silikon zum Durchstechen mit Kanülen aufweisen. Vorzugsweise kommt ein Ventil in dieser Ausführung nicht zum Einsatz.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann es ergänzend vorgesehen sein, dass bei der Befüllung des Probenkanals mit Probenfluid der Reagenzkanal beidseits des Kreuzungsbereiches und/oder bei Befüllung des Reagenzkanals mit dem Reagenzfluid der Probenkanal beidseits des Kreuzungsbereiches durch Kompression des Materials des Kartuschenkörpers abgequetscht wird, vorzugsweise mit einem Stempelelement, insbesondere welches zwei beabstandete Stege aufweist, deren Abstand größer gleich der Kanalbreite des zu füllenden Kanals ist. Besonders bei der Durchführung von LAMP-Assays kann es die Erfindung vorsehen, dass die Kartusche und das darin befindliche Probenfluid vor der Befüllung mit Reagenzfluid erwärmt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur größer als 90 Grad Celsius, insbesondere zur Durchführung einer Denaturierung von Virenhüllen im Probenfluid. Dies ist besonders gut möglich bei Einsatz von Silikon und Glas als Materialien der Kartusche.

Die Erfindung kann eine beheizbare Halterung bereitstellen, in der eine oder mehrere Kartuschen zum Heizen eingelegt werden können.

Die Erfindung kann weiterhin mittels Inkubatoren für die entsprechende Dauer auf die gewünschte Temperatur gebracht werden.

Wie eingangs erwähnt, weist eine erfindungsgemäße Kartusche zumindest ein Paar von Kanälen auf, die Probenkanal und Reagenzkanal bilden und sich kreuzen. Eine Kartusche kann ebenso eine Mehrzahl oder Vielzahl von solchen Paaren aufweisen, so dass mehrere LAMP-Assays oder sonstige Reaktionen parallel mit einer Kartusche durchgeführt werden können.

Ausführungsformen werden nachfolgend näher beschrieben.

Die Figur 1 zeigt in einer Seitendarstellung und Aufsicht eine Kartusche 1 umfassend einen Kartuschenkörper 1a, der vorzugsweise vollständig aus Silikon hergestellt, z.B. gegossen ist. und ein Trägerelement 1b, auf welchem der Kartuschenkörper 1 a befestigt ist, vorzugsweise lösbar haftend ohne zwischengefügten Kleber.

In der Aufsicht ist die Anordnung der Kanäle 2, 3 zu erkennen. Die Kanäle 2, 3 sind hier faktisch durch Nuten im Silikonkörper ausgebildet, die mit allen ihren fluidführenden Bereichen in die Fläche der Verbindungsebene 1c offen einmünden, in welcher der Kartuschenkörper 1a und das Trägerelement 1b mit ihren planen Verbindungsflächen verbunden sind. Die fluidführenden Bereiche umfassen hier auch die Ports 2a, 2b, 3a, 3b der Kanäle und den Reaktionsraum 4. Die offenen kanalbildenden, portbildenden und den Reaktionsraum bildenden Nuten im Kartuschenkörper 1a werden erst durch das Trägerelement 1b verschlossen und bilden so die Kanälen 2, 3, deren Ports 2a, 2b, 3a, 3b und den Reaktionsraum 4.

Der Probenkanal 2 erstreckt sich von seinem Eingangsport 2a bis zu einem Ausgangsport 2b. Der Probenkanal 2 verläuft in der gezeigten Ausführung mäanderförmig, dies ist jedoch nicht zwingend nötig. Grundsätzlich kann der Probenkanal 2 jeglichen Verlauf haben, z.B. auch geradlinig.

Der Reagenzkanal 3 erstreckt sich zwischen dessen Eingangsport 3a und dessen Ausgangsport 3b. Der Probenkanal 2 und der Reagenzkanal 3 kreuzen sich im Kreuzungsbereich 5, der in der Figur 1 zusätzlich vergrößert dargestellt ist. Hier ist erkennbar, dass der Kreuzungsbereich 5 ein schraffiertes Volumen 6 umfasst, welches Teil von beiden Kanälen 2,3 ist.

Vom Eingangsport 3a in Richtung zum Ausgangsport 3b erweitert sich der Reagenzkanal 3 stromabwärts vom Kreuzungsbereich zu einem Reaktionsraum 4.

Innerhalb des Kartuschenkörpers sind beide Kanäle zur Umgebung abgedichtet, da sie vom Material des Kartuschenkörpers 1a bzw. dem Trägerelement 1b umgeben sind.

Zur Befüllung des Probenkanales 2 kann in den Eingangsport 2a eine Kanüle 7 eingestochen werden. In den Ausgangsport 2b wird ebenso eine Kanüle 8 zur Entlüftung des Probenkanals 2 eingestochen. Es kann sodann ein flüssiges Probenfluid 9 über die Kanüle 7 in den Probenkanal 2 eingefüllt werden und zwar mindestens so viel, dass das Probenfluid 9, das hier schraffiert im Probenkanal 2 dargestellt ist, über den Kreuzungsbereich 5 hinaus in den stromabwärts vom Kreuzungsbereich 5 liegenden Kanalabschnitt des Probenkanales 2 eintritt. Dabei muss das Probenfluid 9 den Ausgangsport nicht erreichen, kann aber auch dort austreten.

Weil der Reagenzkanal 3 zu diesem Zeitpunkt zur Umgebung abgedichtet ist, kann aus diesem die Luft oder sonstiges Medium, ggfs auch eine flüssige Vorabfüllung nicht vom Probenfluid verdrängt werden. Das Probenfluid tritt somit in der Richtung der Erstreckung des Probenkanales 2 nur geradlinig über den Kreuzungsbereich herüber, ohne in den Reagenzkanal 3 einzutreten. Das Probenfluid 9 füllt somit das Volumen 6 des Kreuzungsbereiches 5 aus.

Nach der Befüllung können die Kanülen 7, 8 aus den Ports 2a, 2b des Probenkanales 2 entfernt werden, um diesen wieder zur Umgebung zu dichten.

Umfasst das Probenfluid z.B. eine Virusprobe, die mit einem LAMP-Assay nachgewiesen werden soll, so kann jetzt zunächst eine Erhitzung des Probenfluids 9 zusammen mit der gesamten Kartusche 1 auf über 90 Grad Celsius erfolgen um das Virus zu denaturieren und die DNA freizusetzen. Nach einer Abkühlung, die ggfs unterstützt werden kann, z.B. durch Peltier-Element-basierte Kühlung, erfolgt die weitere Befüllung. Diese Schritte der Erhitzung und Abkühlung können bei anderen Reaktionen auch entfallen.

Zur Befüllung des Reagenzkanals 3 werden mit nicht gezeigten Kanülen der Eingangsport 3a und der Ausgangsport 3b des Reagenzkanals 3 eröffnet und durch den Eingangsport 3a ein flüssiges Reagenzfluid in den Reagenzkanal 3 eingefüllt. Das Reagenzfluid selbst oder ein vor diesem befindliches Fluidpolster, z.B. Luft, schiebt das Probenfluid 9 im Kreuzungsbereich 5 in der Menge des Volumens 6 aus dem Kreuzungsbereich heraus in Richtung zum stromabwärts liegenden Teil des Reagenzkanals 3 und bis in den Reaktionsraum 4, wo sich das Probenfluid mit dem Reagenzfluid mischen und eine vorbestimmte Reaktion stattfinden kann. Der Reaktionsraum 4 kann ein Fenster umfassen, z.B. durch eine Silikonmembran gebildet, durch welches die Reaktion, z.B. ein Farbumschlag beobachtbar ist. Die Anordnung von Eingang und Ausgang in den Reaktionsraum 4 richtet sich nach der Orientierung der Kartusche bei der Befüllung und wird bevorzugt so ausgeführt, dass das Reagenz erst nach kompletter Füllung des Reaktionsraums 4 den Ausgang erreicht.

Das Reagenzfluid kann beispielsweise die für die Reaktion benötigten Reagenzien in gelöster Form umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass im Reaktionsraum 4 oder einem anderen Teil des Reagenzkanales stromaufwärts des Reaktionsraumes 4 ein Depot 10 von Reagenzien, z.B. in lyophilisierter Form angeordnet ist, welches sich im Reagenzfluid auflöst. Das eingefüllte Reagenzfluid kann in diesen Fall selbst keine Reagenzien umfassen, z.B. aus Wasser oder einem anderen Lösungsmittel gebildet sein.

Der Vorteil der Erfindung ergibt sich daraus, dass nur oder im Wesentlichen nur der Anteil (Transfervolumen) von Probenfluid 9 aus dem Probenkanal 3 in den Reaktionsraum 4 transferiert und zur Reaktion genutzt wird, der dem Kreuzungsvolumen 6 entspricht, da nur dieser Anteil den Reaktionsraum 4 erreicht. Das Transfervolumen ist somit bei der Erfindung sehr genau definiert.

Auf eine absolut genaue Kenntnis des Transfervolumens bei der erfindungsgemäßen Kartusche, egal welcher Ausführungsvariante, kommt es im Regelfall bei Reaktionen nicht an, da es für aussagekräftige Reaktionen, z.B. bei LAMP-Assays ausreichend ist, wenn sich das Transfervolumen in einem vorbestimmten Intervall befindet. Mit der Erfindung wird dies erreicht z.B. wenn das exakte Kreuzungsvolumen 6 durch die Wahl der geometrischen Abmessungen der Kanäle 2, 3, so gewählt wird, dass es die Mitte des nötigen Intervalls darstellt. Dies gilt dementsprechend für alle möglichen Anwendungen.

Ggfs kann das Transfervolumen des Probenfluids 9 durch multiplikative Anwendung eines Faktors U auf das Kreuzungsvolumen 6 bestimmt werden, wenn strömungstechnische Effekte bewirken, dass etwas mehr oder etwas weniger als das Kreuzungsvolumen 6 aus dem Kreuzungsbereich 5 in den Reaktionsraum 4 transferiert werden. Dieser Faktor U kann empirisch bestimmt werden und ist für alle Kartuschen derselben Bauart gleich.

Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Negativform 11. Diese stellt ein wannenfömiges Formnest dar, welches mit einer Gießmasse, z.B. Silikon, in flüssigem Zustand gefüllt werden kann, um den Kartuschenkörper 1 gemäß Figur 1 nach der Vulkanisation bzw. dem Erstarren der Gießmasse zu erhalten. Der Wannenboden 11a der Gießform 11 ist vorzugsweise plan. Von diesem stehen Stege 12 nach oben auf, welche in der Negativform die Platzhalter für die Kanäle 2, 3, die Ports 2a, 2b, 3a, 3b und den Reaktionsraum 4 des Kartuschenkröpers 1 der Figur 1 bilden.

Figur 3 zeigt perspektivisch ein Trägerelement 1 b der zusammen mit dem Kartuschenkörper 1a zu bildenden Kartusche 1. Das Trägerelement 1b kann z.B. durch ein Objekträgerglas für Mikroskope gebildet sein, aber auch durch jegliche andere Glasplatte, oder sonstige Platte. Die Erfindung kann vorsehen das Trägerelement 1b direkt mit einem Depot 10 von vorzugsweise lyophilisierten Reagenzien an einem Ort zu versehen, welcher nach Zusammenfügung mit dem Kartuschenkörper 1a in dessen Reagenzkanal 3 liegt, vorzugsweise in dessen Reaktionsraum. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass für unterschiedliche Reaktionen, z.B. LAMP-Assays nur Trägerelemente 1b mit unterschiedlichen deponierten Reagenzien bevorratet werden müssen, die immer mit denselben Kartuschenkörpern 1a zu einer Kartusche 1 zusammengesetzt werden.

Die Figur 4 zeigt ein andere Ausführung einer Kartusche mit Probenkanal 2, Reagenkanal 3 und deren Ports 2a, 2b, 3a, 3b. Wiederum kreuzen sich diese am Kreuzungbereich 5. An dieser Stelle ist in dieser Ausführung ein Umschaltventil 13 angeordnet, dessen Ventilstellglied am Kreuzungsort entweder den Probenkanal 2 oder den Reagenzkanal 3 durchgängig schaltete und dabei den jeweils andere Kanal sperrt.

Hier ist das Transfervolumen exakt durch das Volumen des Durchgangskanals im Ventilstellglied definiert. Durch Drehung des Ventils 13 wird dieses Transfervolumen an Probenfluid aus dem Probenkanal in den Reagenzkanal 3 überführt und bei dessen Befüllung aus dem Ventilstellglied in Richtung zum Reaktionsraum 4 ausgespült.

Die Figur 4 zeigt noch die Ergänzung der Kartusche mit einer Probenaufnahmekammer 2c, die über den Eingangsport 2a in den Probenkanal mündet. Durch einen Verschluß 2d kann die Probenaufnahmekammer 2c geöffnet und z.B. ein Wattestäbchen 13 oder sonstiger Probenträger eingelegt werden. Alternativ kann direkt Speichel in die Probenkammer eingefüllt werden.

In der Probenkammer kann ein Fluid bereits angeordnet sein oder mit dem Probenträger zugefügt werden. Nach Vermischung des Fluids mit der Probe bildet diese Flüssigkeit das Probenfluid, welche über den Eingangsport 2a in den Probenkanal 2 gelangen kann. Hierfür kann es vorgesehen sein, die Kartusche zu verkippen.

Durch Saugen am Ausgangsport 2b oder Druckaufbau in der Probenkammer 2c oder am Eingangsport 2a wird das Probenfluid wie zuvor beschrieben in den Probenkanal eingefüllt bis über den Kreuzungsbereich hinaus, wo es das Ventilstellglied füllt. Die übrigen Schritte erfolgen nach Umstellen des Ventils 13 wie es zuvor beschrieben ist.

Die Figur 5 zeigt eine weitere Ausführung einer Kartusche 1. Diese bildet hier ein Gehäuse in deren Inneren die Kanäle 2 und 3 sich kreuzen, wie es zu den anderen Figuren dargestellt und erläutert ist. Die Kanäle 2, 3 und deren Kreuzungsbereich 5 sind nur durch gestrichelte Linien angedeutet. Erkennbar ist hier, dass die jeweiligen Ports 2a, 2b, 3a, 3b als Anschlußstutzen für anzusetzende Applikatoren, z.B. Spritzen vom Kartuschengehäuse vorstehend ausgebildet sind, z.B. als Luer-Lock oder als anderer standardisierter Anschluß.

Es ist ein Fenster der Reaktionsraumes 4 erkennbar, durch welches das Ergebnis einer Reaktion direkt beobachtbar ist. Ein Ventil 13a ist vorgesehen, um so wie bei der Figur 4 beschrieben, den Volumentransfer von Probenfluid zwischen den Kanälen 2 und 3 vorzunehmen.

Diese Ausführungsform weist ein zweites Ventil 13b auf. Dieses ist stromabwärts des Reaktionsraumes 4 angeordnet und dient dazu zusammen mit dem Ventil 13a den Reaktionsraum insgesamt von den Kanälen abzusperren. Nach Befüllen mit Reagenzfluid können dafür das Ventil 13a und 13b jeweils in eine den Reagenzanal 3 sperrende Stellung überführt werden. Beide Ventil können mechanisch aneinander gekoppelt sein, so dass die Bewegung eines der Ventile auch die Bewegung des anderen Ventils bewirkt.