Probenträger und Rotationsvorrichtung

Die Erfindung betrifft einen Probenträger zur Verwendung in einem Verfahren zur Vervielfältigung von DNA sowie eine Rotationsvorrichtung, die ebenfalls zur Verwendung in einem solchen Verfahren eingerichtet und vorgesehen ist. Außerdem betrifft die Erfindung jeweils die Verwendung eines solchen Probenträgers sowie einer solchen Rotationsvorrichtung in einem Verfahren zur Vervielfältigung von DNA.

DNA (Desoxyribonukleinsäure oder englisch: desoxyribonucleic acid) wird häufig - neben wissenschaftlichen Erbgutanalysen, Vaterschaftstests und dergleichen - zur Untersuchung auf vorliegende Krankheiten analysiert oder zum Nachweis von Krankheitserregern detektiert. Aktuell ist dies aufgrund der Ausbreitung von SARS-CoV-2 und den zur Detektion erforderlichen Tests auch vergleichsweise bekannt geworden. Für die Analyse (oder: Detektion) müssen dabei ausgehend von einer Probe - z. B. einem Abstrich, einer Blutprobe oder dergleichen - spezifische Bereiche einer darin enthaltenen DNA (optional auch RNA) vervielfältigt werden. Im Fall des Nachweises oder der Analyse von RNA in einer Probe (z. B. zum Nachweis eines Virus) wird diese zunächst durch sogenannte „reverse transcription“ in DNA umgeschrieben und anschließend vervielfältigt.

Zur Vervielfältigung der DNA wird üblicherweise die sogenannte Polymerase-Kettenreaktion (kurz: PCR) in einem flüssigen Reaktionsansatz angewendet. Die DNA liegt typischerweise in Form einer Doppelhelix-Struktur, bestehend aus zwei komplementären DNA Einzelsträngen, vor. Bei der PCR wird die DNA zunächst durch eine erhöhte Temperatur des flüssigen Reaktionsansatzes zwischen typischerweise 90 und 96 Grad Celsius in zwei Einzelstränge aufgetrennt („Denaturierungs- Phase“).

Anschließend wird die Temperatur wieder gesenkt („Annealing-Phase“, typischerweise in einen Bereich von 50-70 Grad Celsius), um eine spezifische Anlagerung von sogenannten Primer-Molekülen an die Einzelstränge zu ermöglichen. Die Primer-Moleküle sind komplementäre, kurze DNA-Stränge, die an einer definierten Stelle an den Einzelsträngen der DNA anbinden. Die Primer dienen als Startpunkt für ein Enzym, der sogenannten Polymerase, das in der sogenannten Elongations- Phase die Grundbausteine („dNTPs“) der DNA komplementär zur vorliegenden DNA-Sequenz des Einzelstranges auffüllt. Dabei entsteht ausgehend von dem Primer Molekül wieder eine doppelsträngige DNA. Die Elongation wird typischerweise bei der gleichen Temperatur wie bei der Annealing Phase oder bei einer leicht erhöhten Temperatur typischerweise zwischen 65 und 75 Grad Celsius durchgeführt. Nach der Elongation wird die Temperatur wieder für die nächste Denaturierungsphase erhöht. Die Primer-Moleküle sowie die o. g. Grundbausteine sind ebenfalls in dem Reaktionsansatz vorhanden. Üblicherweise sind diese in einer Ausgangsmischung, der die Probe zugeführt wird, enthalten.

Dieses vorstehend beschriebene Zyklieren der Temperatur im flüssigen Reaktionsansatz zwischen den zwei bis drei Temperaturbereichen wird PCR Thermocyc- ling genannt und typischerweise in 30 und 50 Zyklen wiederholt. In jedem Zyklus wird der spezifische DNA Bereich vervielfältigt. Typischerweise wird das Ther- mocycling des flüssigen Reaktionsansatzes in einem Reaktionsgefäß durch die Kontrolle der äußeren Temperatur umgesetzt. Das Reaktionsgefäß befindet sich dabei z. B. in einem Thermoblock, in dem das PCR Thermocycling durch Heizen und Kühlen eines sich mit dem Reaktionsgefäß in thermischen Kontakt befindlichen Festkörpers erfolgt. Wärme aus der Flüssigkeit des Reaktionsansatzes wird so zu- bzw. abgeführt. Alternative Heiz- und Kühlkonzepte zur Umsetzung des PCR Thermocyclings sind unter anderem die Temperaturkontrolle von Fluiden (ins. Luft und Wasser), welche das Reaktionsgefäß umströmen sowie strahlungsbasierte Konzepte, z. B. durch Einbringung von Wärme durch IR-Strahlung oder Laserstrahlung.

Bei einer üblichen Polymerase-Kettenreaktion liegen die Prozessdauern im Bereich im Bereich von typischerweise 45 min bis 3 h und sind mithin vergleichsweise zeitaufwändig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Polymerase-Kettenreaktion, insbesondere den gesamten Ablauf der Analyse zu beschleunigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Probenträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Außerdem wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruch 15 sowie durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.

Der erfindungsgemäße Probenträger und die erfindungsgemäße Rotationsvorrichtung kommen vorzugsweise gemeinsam, alternativ aber auch unabhängig voneinander (d. h. der Probenträger unabhängig von der Rotationsvorrichtung und umgekehrt), in einem Verfahren zur Vervielfältigung oder zum Nachweis („Detektion“) von DNA zum Einsatz. Verfahrensgemäß wird dabei vorzugsweise zunächst ein (oder der erfindungsgemäße) Probenträger, konkret wenigstens eine Kavität des Probenträgers mit einer Probenflüssigkeit, die vorzugsweise oder (bspw. im Fall einer Untersuchung auf Krankheitserreger) zumindest potentiell DNA enthält, befällt. Anschließend wird der Probenträger mittels einer (oder der erfindungsgemäßen) Rotationsvorrichtung um eine Rotationsachse rotiert. Die Kavität, vorzugsweise der Probenträger, wird dabei mittels einer Heizvorrichtung an einer in (d. h. insbesondere parallel zu) einer Rotationsebene liegenden Wärmeeintragsseite auf einen hohen Temperaturwert erwärmt. Vorzugsweise unterbleibt eine Erwärmung auf der der Wärmeeintragsseite gegenüberliegenden Seite. Aufgrund der Erwärmung wird eine Konvektionsströmung der Probenflüssigkeit innerhalb der Kavität erzeugt. Vorzugsweise wird die Konvektionsströmung dabei im Wesentlichen ringförmig erzeugt, wobei sich ein erster Strömungsabschnitt insbesondere etwa parallel zur Wärmeeintragsseite erstreckt, ein zweiter Strömungsabschnitt von der Wärmeeintragsseite zur gegenüberliegenden Wärmeaustragsseite (auch: „Kühlseite“), ein dritter Strömungsabschnitt parallel zur Wärmeaustragsseite und ein vierter Strömungsabschnitt wieder (von der Wärmeaustragsseite) zur Wärmeeintragsseite zurück. Dadurch wird die Probenflüssigkeit vorzugsweise durch eine Denaturierungszone (die insbesondere einen hohen Temperaturwert aufweist), eine sogenannte Annealing-Zone (auch: Primerhybridisierungs-Zone) und eine Ex- tensions-Zone und zurück zur Denaturierungszone geführt. Eine Umlaufdauer eines Flüssigkeitsteilchens der Probenflüssigkeit entlang eines Strömungspfads der Konvektionsströmung wird hierbei insbesondere mittels der Drehzahl der Rotation vorgegeben (insbesondere „gesteuert“).

Insbesondere wird die Umlaufdauer des Flüssigkeitsteilchens zusätzlich auch von weiteren Parametern beeinflusst, wie z. B. der Geometrie der Kavität, der Viskosität der Probenflüssigkeit, der Dichte der Probenflüssigkeit, dem sich einstellenden Temperaturgradienten und dergleichen.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen einseitigen Erwärmung der Kavität wird - anders ausgedrückt - ein Temperaturgradient (der mithin in abnehmender Richtung von der Wärmeeintragsseite zur Wärmeaustragsseite ausgerichtet ist) vorzugsweise senkrecht zu einer dominierenden Kraft, insbesondere der aus der Rotation resultierenden Zentrifugalkraft, auf die Probenflüssigkeit in der Kavität aufgeprägt.

Insbesondere erfolgt ein für die Polymerase-Kettenreaktion erforderlicher Fluidaustausch zwischen der Denaturierungs-Zone und der Annealing-Zone über die vorstehend beschriebene senkrecht zur Rotationsebene gerichteten Strömungsanteile bzw. Strömungsabschnitte (d. h. den zweiten und vierten Strömungsabschnitten). Vorzugweise sind neben den vorstehend beschriebenen vier Strömungsabschnitten zusätzlich aber auch quer dazu strömende Anteile aufgrund der Zentrifugalkraft und/oder der Corioliskraft vorhanden. Dies führt dabei vorteilhafterweise zu einer zusätzlichen Vermischung der Probenflüssigkeit, so dass eine möglichst homogene Vermengung von Reaktionspartnern - d. h. zu vervielfältigender DNA, Primer-Molekülen und „Strangbausteinen“ - ermöglicht wird.

Unter dem Begriff „Umlaufdauer“ wird hier und im Folgenden insbesondere die Dauer (Zeit) verstanden, die das (insbesondere infinitesimale) Flüssigkeitsteilchen benötigt, um durch die Denaturierungszone, die Annealing-Zone (auch: Primer- hybridisierungs-Zone) und die Extensions-Zone zurück zur Denaturierungszone zu fließen. Die Umlaufdauer kann mittels der Drehzahl (mithin mittels der Rotationsgeschwindigkeit) auf Zeiten im Bereich zwischen 0,1 s und 20 s eingestellt werden. Innerhalb der entsprechenden Kavität - die einer Reaktionskammer des Probenträgers entspricht - kann so eine durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit in der Größenordnung von bis zu 22 mm/s eingestellt werden.

Durch eine derart geringe Umlaufdauer und/oder eine derart hohe Strömungsgeschwindigkeit wird eine besonders schnelle Polymerase-Kettenreaktion ermöglicht, so dass vorteilhafterweise Prozesszeit eingespart werden kann.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die entsprechende Kavität auf der der Wärmeeintragsseite gegenüberliegenden Wärmeaustragsseite (oder auch: „Kühlseite“) auf einen gegenüber dem hohen Temperaturwert an der Wärmeeintragsseite niedrigen Temperaturwert gekühlt. Dadurch kann vorteilhafterweise die Temperatur der Annealing-Zone (und der optional in dieser enthaltenen Extensi- ons-Zone) eingestellt und insbesondere verhindert werden, dass sich die Probenflüssigkeit im Bereich der Annealing-Zone zunehmend oder zumindest in vernach- lässigbarem Maß erwärmt.

Der erfindungsgemäße Probenträger ist zur Verwendung in dem vorstehend sowie auch nachfolgend beschriebenen rotationsbasierten Verfahren zur Vervielfältigung von DNA eingerichtet und vorgesehen. Der Probenträger weist dabei einen scheibenartigen Grundkörper auf. Außerdem weist der Probenträger eine Anzahl von in dem Grundkörper ausgebildeten, vorzugsweise mikrofluidischen, Kavitäten auf, worin in einem bestimmungsgemäßen Verfahrensschritt eine Probenflüssigkeit, die, zumindest potentiell (dies insbesondere im Fall einer Analyse hinsichtlich dem Vorliegen von Krankheitserregern), DNA (oder gegebenenfalls alternativ RNA) enthält, aufgenommen ist. Eine Flachseite (oder: Scheibenseite) des Grundkörpers bildet dabei vorzugsweise eine Wärmeeintragsseite und die dieser (d. h. der Wärmeeintragsseite) abgewandte Flachseite (oder: Scheibenseite) bildet insbesondere eine Wärmeaustragsseite (auch als „Kühlseite“ bezeichnet). Die Kavität oder eine von gegebenenfalls mehreren Kavitäten ist dabei durch einen Ringkanal - d. h. vorzugsweise einen schleifenartig oder ringartig gebildeten Kanal - mit einem ersten und einem zweiten Kanalabschnitt gebildet. Diese beiden Kanalabschnitte (d. h. der erste und zweite) sind dabei an beiden Längsenden mittels jeweils eines Verbindungsabschnitts (oder Verbindungskanals) zumindest mittelbar fluidtechnisch verbunden sind. Der erste Kanalabschnitt ist außerdem in Dickenrichtung (insbesondere also in Richtung der bestimmungsgemäßen Rotationsachse) des Grundkörpers zu dem zweiten Kanalabschnitt versetzt angeordnet. Anders ausgedrückt ist einer der beiden Kanalabschnitte in Richtung Wärmeeintragsseite und der andere in Richtung Kühlseite versetzt.

Unter „scheibenartig“ wird hier und im Folgenden insbesondere im Sinn von „plattenartig“, also insbesondere dahingehend verstanden, dass der entsprechende Körper eine flächige Erstreckung aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als seine Dicke - vorzugweise grundsätzlich unabhängig von der Geometrie seiner die flächige Erstreckung begrenzende Außenkontur.

Der Begriff „Anzahl von“ wird hier und im Folgenden insbesondere im Sinne des Begriffs „Menge“ verstanden, so dass eine Anzahl von Elementen sowohl nur ein einziges Element beschreibt als auch eine mindestens zwei Elementen. Unter „mikrofluidisch“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass die wenigstens eine Kavität Abmessungen von weniger als 0,5 oder sogar 0,1 Millimeter bis zu 10 bis 15 Millimeter aufweisen. Insbesondere liegt wenigstens ein Maß, bspw. eine Breite oder Tiefe im Bereich von weniger als 0,5 Millimeter. Eine Längserstreckung insbesondere von einen Kanal bildenden Kavitäten kann auch die vorstehend beschriebenen 15 Millimeter überschreiten.

Vorzugsweise bildet der Ringkanal eine Prozess- oder Reaktionskammer, in der bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Probenträgers eine Polymerase-Kettenreaktion (kurz: PCR) stattfindet. Diese wird durch die Form der Kavität als Ringkanal unterstützt, da sich so besonders einfach eine konvektions- und schwerkraftgetriebene Strömung, ausbilden kann, insbesondere, indem die jeweiligen „Flüssigkeitsteilchen“ entsprechend der vorstehenden Beschreibung die einzelnen Kanalabschnitte nacheinander durchströmen. Insbesondere können im stärker erwärmten Kanalabschnitt bei Rotation die Flüssigkeitsteilchen entgegen der Zentrifugalkraft „aufsteigen“, wohingegen die kühleren und damit dichteren oder schwereren Flüssigkeitsteilchen im anderen Kanalabschnitt in Richtung der Zentrifugalkraft „absinken“. Die vorstehend beschriebenen zweiten und vierten Strömungsabschnitte durchlaufen hier die Verbindungskanäle zwischen den ersten und zweiten Kanalabschnitten. Insbesondere wird dabei eine Durchmischung und Bewegung und somit Prozessierung der gesamten im Ringkanal aufgenommenen Probenflüssigkeit verbessert. Durch den Versatz des ersten Kanalabschnitts und des zweiten Kanalabschnitts zur Wärmeeintragsseite bzw. zur Kühlseite hin (also in Dickenrichtung) wird außerdem vorteilhafterweise ermöglicht, dass sich der Wärmeeintrag und der Wärmeaustrag (insbesondere also die Kühlung) vornehmlich auf den entsprechenden (d. h. näher angeordneten) Kanalabschnitt auswirken, bevorzugt auf diesen begrenzt sind. Anders ausgedrückt wird der Effekt der Kühlung auf den in Richtung zur Wärmeeintragsseite hin versetzten Kanalabschnitt verringert. Für den in Richtung zur Kühlseite versetzten Kanalabschnitt gilt entsprechendes umgekehrt.

Vorzugsweise sind der erste Kanalabschnitt auf der Wärmeeintragsseite (d. h. zu dieser hin) und der zweite Kanalabschnitt auf der Kühlseite des Probenträgers (d. h. zu dieser hin versetzt) angeordnet. Vorzugsweise dient der erste Kanalabschnitt in der bestimmungsgemäßen Verwendung zum Wärmeeintrag in die Probenflüssigkeit, der zweite entsprechend zum Wärmeaustrag. Weiter bevorzugt sind die ersten und zweiten Kanalabschnitte auch parallel zur Richtung der (während der bestimmungsgemäßen Prozessierung aufgeprägten) Fliehkraft (insbesondere also radial zur Rotationsachse, um die der Probenträger bei bestimmungsgemäßer Verwendung rotiert wird) ausgerichtet.

In einer zweckmäßigen Ausführung weist der erste Kanalabschnitt (im vorstehend genannten Fall) gegenüber dem zweiten (zur Kühlseite versetzt angeordneten) Kanalabschnitt (zumindest bereichsweise) eine verringerte Querschnittsfläche auf. Die verringerte Querschnittsfläche führt dabei einerseits zu einer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit sowie folglich auch zu einer verringerten Verweildauer der einzelnen „Flüssigkeitsteilchen“ in dem ersten Kanalabschnitt. Außerdem ist auch die für den Wärmeeintrag zur Verfügung stehenden Oberfläche meist kleiner, so dass der mögliche Wärmeeintrag begrenzt ist.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist der erste Kanalabschnitt, der vorzugsweise auf der Wärmeeintragsseite (also zu dieser hin versetzt) angeordnet ist, (zusätzlich oder alternativ zur verringerten Querschnittsfläche) gegenüber dem zweiten, insbesondere auf der Kühlseite angeordneten, Kanalabschnitt (zumindest bereichsweise) eine in Scheibenflächenrichtung des Grundkörpers gerichtete, verringerte Kanalbreite auf. Dadurch ist die „Angriffsfläche“ für den Wärmeeintrag gegenüber der für den Wärmeaustrag kleiner. Dadurch kann der Wärmeaustrag auf den Wärmeeintrag abgestimmt werden. Insbesondere ist es dadurch möglich, die Kühlung besonders einfach, insbesondere durch Umgebungsatmosphäre zu gestalten. Eine aktive und damit energieaufwendige Kälteerzeugung kann so vorteilhaft unterbleiben. Eine aktive Heizung ist dagegen regelmäßig ohnehin erforderlich.

Insbesondere in der Ausführung, in der der zweite Kanalabschnitt zur Kühlseite versetzt ist, umfasst der zweite Kanalabschnitt in einer zweckmäßigen Ausführung einen Kühlkanal und einen, vorzugsweise in bestimmungsgemäßer Fließrichtung der Probenflüssigkeit während der Prozessierung, daran anschließenden, mit gegenüber dem Kühlkanal verringerter Kanalbreite ausgebildeten Annealing-Kanal. Der Kühlkanal dient in diesem Fall dazu, eine möglichst schnelle Abkühlung der Prozessflüssigkeit zu ermöglichen. Die Abkühlung innerhalb des Annealing-Kanals ist demgegenüber verringert, so dass hier möglichst konstante Temperaturbedingungen vorliegen. Optional ist die Querschnittsfläche des Kühlkanals und des Annealing-Kanals gleich und/oder derart gewählt, dass bei dem Annealing-Kanal eine größere „Tiefe“, d. h. eine größere Erstreckung in Dickenrichtung des Grundkörpers, vorliegt. Insbesondere in ersterem Fall bleibt auch die Strömungsgeschwindigkeit zumindest annähernd gleich. Alternativ ist die Querschnittsfläche des Annealing-Kanals aber ebenfalls gegenüber dem Kühlkanal verringert, so dass hier die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit auch die Verweildauer gesenkt wird. Unabhängig von der Nomenklatur „Kühlkanal“ und Annealing-Kanal kann bereits innerhalb des Kühlkanals eine Anlagerung von DNA-Grundbau- steinen an aus dem ersten Kanalabschnitt aufgrund der dortigen Erwärmung zugeführten, denaturierten DNA-Strängen erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführung weist der Annealing-Kanal alternativ die gleiche Kanalbreite auf wie der Kühlkanal, aber im Gegensatz zu diesem die größere Tiefe. Dadurch ist das Volumen in dem Annealing-Kanal gegenüber dem Kühlkanal vergrößert, so dass der Kühlung eine größere Menge (konkret ein größeres Volumen) an Probenflüssigkeit entgegensteht und die Kühlung somit verlangsamt wird.

In einer optionalen Ausgestaltung umfasst auch der erste Kanalabschnitt zwei Teilkammern (oder „Teilabschnitte“), die als „Denaturierungskanal“ und „Widerstands-Kanal“ bezeichnet sind. Der Widerstands-Kanal liegt dabei „stromaufwärts“, also in bestimmungsgemäßer Fließrichtung dem Denaturierungskanal voraus (und damit insbesondere nachfolgend zum Annealing-Kanal). Außerdem ist der Widerstands-Kanal mit gegenüber dem Denaturierungskanal verringerter Breite, vorzugsweise verringerter Querschnittsfläche ausgebildet. In dem Widerstands-Kanal erfolgt dadurch eine Beschleunigung der Probenflüssigkeit. Insbe- sondere beeinflusst dieser Widerstands-Kanal aber einerseits die Fließgeschwindigkeit im Annealing-Kanal sowie andererseits auch (bspw. zu mehr als 40, vorzugsweise mehr als 50 %) den Fluidwiderstand innerhalb des Ringkanals und somit die Umlaufdauer eines (zumindest theoretischen) Flüssigkeitsteilchens durch die jeweiligen Kanalabschnitte. Die Umlaufdauer wirkt sich wiederum auf die aufgenommene und abgegebene Wärmemenge und somit die sich innerhalb der Probenflüssigkeit einstellenden Temperaturwerte aus. Somit stellt er Widerstands-Kanal vorteilhafterweise auch ein designtechnisches „Steuerglied“ für die jeweiligen Temperaturwerte innerhalb der Probenflüssigkeit dar.

Alternativ entfällt der Denaturierungskanal. Die Denaturierung kann insbesondere bei geeigneter Prozessführung - bspw. Heizen von außen und/oder einer vergleichsweise geringen Rotationsgeschwindigkeit - auch in dem in diesem Fall insbesondere nur als Widerstandkanal ausgebildeten ersten Kanalabschnitt erfolgen.

Die vorstehend beschriebene Ausformung (oder: „Strukturierung“) des Ringkanals ermöglicht vorteilhafterweise eine Vorgabe (oder: „Steuerung“) der Umlaufdauer und der einzelnen Temperaturwerte mittels der Kanalquerschnitte oder Kanalprofile und/oder mittels der Rotationsgeschwindigkeit. Insbesondere kann die Kanalgeometrie derart an die mittels eines Analysegeräts (insbesondere die nachfolgend näher beschriebene Rotationsvorrichtung) vorgegebenen Prozessparameter (bspw. Heiz- und Kühltemperaturwerte) angepasst werden, dass eine zeitliche Begrenzung nicht (mehr) vornehmlich durch Heiz- oder Kühldauern vorgegeben ist, sondern zumindest zu 20 % oder mehr durch biochemische Abläufe.

In einer zweckmäßigen Ausführung sind der erste und der zweite Kanalabschnitt zusätzlich zum Versatz in Dickenrichtung auch in Scheibenflächenrichtung zueinander versetzt.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist der Probenträger eine Wärmeisolationsschicht auf. Diese ist dem zweiten Kanalabschnitt zumindest zu einem Teil seiner Länge in Richtung auf die Wärmeeintragsseite untergelegt (oder, je nach Betrachtungsrichtung, darübergelegt; allgemein ausgedrückt ist die Wärmeisolationsschicht also dem zweiten Kanalabschnitt und der Wärmeeintragsseite zwischengeordnet). Dadurch wird vorteilhafterweise im bestimmungsgemäßen Betrieb der Wärmeeintrag aus der Heizkammer in den zweiten Kanalabschnitt (insbesondere im Fall des Versatzes in Dickenrichtung noch mehr) unterbunden. Optional ist die Wärmeisolationsschicht dabei nur dem vorstehend beschriebenen Kühlkanal zugeordnet (bspw. untergelegt), so dass der Wärmeeintrag in den Kühlkanal verhindert oder zumindest auf ein vernachlässigbares Maß verringert ist und der Wärmeaustrag signifikant überwiegt. Ein Wärmeeintrag in den nachfolgenden An- nealing-Kanal ist in diesem optionalen Fall also „erlaubt“, so dass die Probenflüssigkeit in diesem Kanal nur noch zu einem geringeren Maß abgekühlt wird oder die Temperatur sogar näherungsweise (d. h. mit einer Differenz von wenigen Grad Celsius, bspw. von gleich oder kleiner 10 oder 5 Grad Celsius) konstant gehalten werden kann.

In einer bevorzugten Ausführung ist der Ringkanal in einem Einlaufbereich, durch den im bestimmungsgemäßen Einsatz die Füllung des Ringkanals (insbesondere mit der Probenflüssigkeit) erfolgt, mit einer Blasenfangkammer verbunden. Vorzugsweise ist in diesen Fall ein Anschnitt, der die Blasenfangkammer mit dem Ringkanal verbindet, mit einer derart großen Dicke ausgeführt, dass ein Durchtritt von herkömmlicherweise auftretenden Gasblasen vom Ringkanal in die Blasenfangkammer ermöglicht ist. Beispielsweise ist eine Dicke des Anschnitts von mindestens 100 Mikrometer - insbesondere bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 20 Hz - für den Durchtritt der Gasblasen in die Blasenfangkammer ausreichend. Gasblasen treten insbesondere aufgrund der Erwärmung der Probenflüssigkeit auf. Verbleiben die Gasblasen im Ringkanal können diese an Übergängen mit besonders kleinem Querschnitt, insbesondere also an schmalen Schlitzen, zu einer Verstopfung führen, ähnlich einer Gasembolie. Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des Probenträger in dem o. g. Verfahren ist vorzugsweise derart viel Probenflüssigkeit in den Ringkanal eingefüllt, dass die Probenflüssigkeit die Blasenfangkammer zumindest teilweise füllt. Dadurch ist ein Abfließen der Blasen aus dem Ringkanal in die Blasenfangkammer hinein weiter vereinfacht, da keine Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche überwunden werden braucht. Die Blasenfangkammer ist außerdem zweckmäßigerweise - bei bestimmungsgemäßer Rotation des Probenträgers - radial innenliegend zu dem Ringkanal angeordnet. Dadurch können die im Vergleich zur Probenflüssigkeit leichteren Gasblasen entgegen dem rotationsgetriebenen Schwerefeld „aufsteigen“, sich also nach radial innen bewegen.

Vorzugsweise ist jeweils eine Blasenfangkammer für den ersten und den zweiten Kanalabschnitt, die sich außerdem vorzugsweise in Radialrichtung erstrecken, vorhanden.

In einer optionalen Ausführung weist der Ringkanal einen dritten Kanalabschnitt auf, der fluidführungstechnisch zwischen den ersten und den zweiten Kanalabschnitt, insbesondere stromab des zweiten Kanalabschnitts geschaltet ist. Vorzugsweise ist dieser dritte Kanalabschnitt (zumindest näherungsweise) parallel zu dem ersten und dem zweiten Kanalabschnitt ausgerichtet. In Dickenrichtung des Grundkörpers des Probenträgers gesehen ist der dritte Kanalabschnitt aber zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalabschnitt angeordnet. Dadurch bildet sich im bestimmungsgemäße Betrieb vorzugsweise ein zwischen den jeweiligen (mittleren) Temperaturwerten des ersten und zweiten Kanalabschnitts liegender Temperaturwert innerhalb des dritten Kanalabschnitts aus. Bspw. liegen die Zieltemperaturwerte in dem ersten Kanalabschnitt bei etwa 85 bis 100, insbesondere bei 95 Grad Celsius, im zweiten Kanalabschnitt bei 50 bis 75, vorzugsweise bei etwa 60 Grad Celsius und (sofern vorhanden) im dritten Kanalabschnitt bei etwa 65 bis 80, vorzugsweise um etwa 72 Grad Celsius, bspw. um eine Elongation der DNA zu unterstützen.

In einer weiteren optionalen Ausführung weist der Probenkörper mehrere der vorstehend beschriebenen Ringkanäle auf, die jeweils unterschiedliche Strukturierungen (d. h. vorzugsweise Abmessungen insbesondere hinsichtlich ihrer Querschnitte und Breiten) aufweisen. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Verweilzeiten der Probenflüssigkeit in den einzelnen Bereichen, so dass in einem Probenträger - insbesondere bei gleichbleibenden Heiz- und Kühlbedingungen - bei un- terschied liehen Prozessparametern (insbesondere unterschiedlichen Temperaturwerten und/oder Umlaufdauern), optional mit unterschiedlicher Biochemie, getestet werden kann.

Die nachfolgend näher beschriebene, erfindungsgemäße Rotationsvorrichtung stellt optional eine eigenständige und somit von dem vorstehend beschriebenen Probenträger unabhängige Erfindung dar. Gleichwohl ist aber der Einsatz des vorstehend beschriebenen Probenträgers in der hier und im Folgenden beschriebenen Rotationsvorrichtung besonders vorteilhaft. Die erfindungsgemäße Rotationsvorrichtung ist dabei für die Verwendung in dem vorstehend beschriebenen rotationsbasierten Verfahren eingerichtet und vorgesehen. Die Rotationsvorrichtung weist dazu eine Analysekammer auf sowie einen in der Analysekammer angeordneten Probenhalter. Letzterer ist zur Halterung wenigstens eines Probenträgers, insbesondere des vorstehend beschriebenen Probenträgers, der eine Anzahl von in dem (oder einem) Grundkörper ausgebildeten Kavitäten aufweist, worin in einem bestimmungsgemäßen Verfahrensschritt eine Probenflüssigkeit, die zumindest potentiell DNA enthält, aufgenommen ist. Des Weiteren weist die Rotationsvorrichtung einen Rotationsantrieb auf, mittels dessen der Probenhalter im bestimmungsgemäßen Betrieb um eine Rotationsachse rotiert wird. Ferner weist die Rotationsvorrichtung eine Heizvorrichtung, mittels derer im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Atmosphäre in einem eine Heizkammer bildenden Teilbereich der Analysekammer auf eine Zielheiztemperatur temperiert wird, sowie eine Kühlvorrichtung auf, mittels derer im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Atmosphäre in einem eine Kühlkammer bildenden Teilbereich der Analysekammer auf eine Zielkühltemperatur temperiert wird. Heizkammer und Kühlkammer sind dabei durch den Probenhalter, zumindest in Zusammenwirkung mit dem darauf gehalterten Probenträger voneinander fluidisch getrennt. Außerdem weist die Rotationsvorrichtung einen Controller (auch als „Steuergerät“ bezeichnet) auf, der steuerungstechnisch mit dem Rotationsantrieb und der Heizvorrichtung sowie auch mit der Kühlvorrichtung verknüpft und dazu eingerichtet ist, eine Rotationsgeschwindigkeit des Probenhalters sowie die Zielheiztemperatur und die Zielkühltemperatur vorzugeben. Vorzugsweise erfolgt die Heizung und Kühlung also über die jeweilige temperierte Atmosphäre der Heiz- bzw. Kühlkammer. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der jeweiligen Atmosphäre um Luft. Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Rotationsvorrichtung gegeben.

In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit Bedienpersonal - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC, gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.

In einer bevorzugten Ausführung weist die Rotationsvorrichtung ein Gehäuse auf, das die Analysekammer und somit die Heizkammer und die Kühlkammer gemeinsam umgibt. Anders ausgedrückt unterteilt das Gehäuse die Analysekammer nicht. Die Unterteilung in die Heizkammer und die Kühlkammer erfolgt vielmehr durch den Probenhalter bzw. Probenträger. Der Probenhalter oder der im bestimmungsgemäßen Betrieb daran gehalterte Probenträger bildet dabei mit einer Gehäusewand, insbesondere einer Seitenwand des Gehäuses, einen Dichtspalt. Dieser ist so bemessen, dass eine Verringerung oder sogar Unterdrückung eines Gasaustauschs zwischen der Heizkammer und der Kühlkammer ermöglicht ist. Beispielsweise weist der Dichtspalt eine Breite (also einen Abstand zwischen Probenhalter bzw. Probenträger zur Seitenwand) von gleich oder vorzugsweise kleiner als 1 mm, insbesondere von gleich oder kleiner 0,5 mm auf.

In einer hinsichtlich der Dichtwirkung zwischen der Heiz- und der Kühlkammer vorteilhaften Weiterbildung bildet die Gehäusewand mit dem Probenhalter bzw. dem Probenträger eine Art Labyrinthdichtung zwischen der Heizkammer und der Kühlkammer. Labyrinthdichtungen weisen regelmäßig eine vergleichsweise hohe Dichtwirkung bei kontaktlosen Dichtungskonzepten auf. In diesem Fall ist vorzugsweise in die Gehäusewand, insbesondere die Seitenwand, eine umlaufende Nut eingeformt, in die der Probenhalter bzw. Probenträger eingreift. Der Dichtspalt weist hierbei ebenfalls Maße von bevorzugt gleich oder weniger als 1 mm auf.

Vorzugsweise ist die Analysekammer kreiszylindrisch ausgebildet. Der Probenhalter bildet dabei für sich alleine oder zumindest mit einem oder mehreren daran gehalterten Probenträgern eine Kreisscheibe nach. Dadurch ist der Dichtspalt vorzugsweise umlaufend gleich. Vorzugsweise ist im Fall der Labyrinthdichtung das Gehäuse zum Bestücken des Probenhalters und optional auch zu Wartungszwecken aufklappbar oder demontierbar. Eine Trennebene des Gehäuses ist in diesem Fall zweckmäßigerweise in der vorstehend beschriebenen Nut angeordnet.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist der Probenhalter der Rotationsvorrichtung dazu eingerichtet, den Probenträger auf einer der Heizkammer zugewandten Wärmeeintragsseite (hier des Probenhalters) aufzunehmen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Rotationsantrieb im Bereich der Kühlkammer angeordnet ist. Alternativ ist es aber gleichermaßen möglich, den Rotationsantrieb auf der Seite der Heizkammer zu positionieren, so dass der Probenhalter den Probenträger insbesondere auf der der Kühlkammer zugewandten Kühlseite (des Probenhalters) aufnimmt. In jedem Fall weist der Probenhalter wenigstens ein die Wärmeeintragsseite und die Kühlseite (des Probenhalters) miteinander verbindendes Fenster auf. Durch dieses Fenster hindurch steht im bestimmungsgemäßen Betrieb ein zu kühlender bzw. zu erwärmender Bereich der Anzahl von Kavitäten (insbesondere also der erste bzw. zweite Kanalabschnitt) des Probenträgers entsprechend mit der Kühlkammer bzw. der Heizkammer in wärmeübertragungstechnischer Verbindung. D. h. der zu kühlende Bereich (insbesondere der zweite Kanalabschnitt) des Probenträgers steht, für den Fall, dass der Probenträger auf der Wärmeeintragsseite des Probenhalters (und somit in der Heizkammer) positioniert ist, mit der Kühlkammer in Verbindung. Im Fall des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Probenträgers steht dessen zur Kühlseite hin versetzter (insbesondere zweiter) Kanalabschnitt optional in das Fenster oder durch dieses in Richtung auf die Kühlseite vor. Für den Fall, dass der Probenträger auf der Kühlseite des Probenhalters anzuordnen ist, gilt dies analog für den zu erwärmenden Bereich.

In einer optionalen Ausgestaltung, bevorzugt für den Fall, dass der erfindungsgemäße Probenträger mit der Rotationsvorrichtung verwendet wird, weist der Probenhalter eine Wärmeisolationsschicht auf. Diese ist derart angeordnet, dass zumindest ein Teil des zu kühlenden und/oder zu erwärmenden Bereichs der Anzahl von Kavitäten des Probenträgers im bestimmungsgemäßen Betrieb von der Temperatureinwirkung der Heizkammer bzw. Kühlkammer abgeschirmt ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Probenträger selbst keine Wärmeisolationsschicht aufweist. Die Wärmeisolationsschicht des Probenhalters ist optional durch ein separat am Probenhalter angeordnetes Element, bspw. ein Material mit geringer Wärmeleitung, gebildet. Die Wärmeisolationsschicht des Probenhalters dient dem gleichen Zweck wie die vorstehend beschriebene Wärmeisolationsschicht des erfindungsgemäßen Probenträgers.

In einer zweckmäßigen Ausführung weist die Kühlvorrichtung der Rotationsvorrichtung ein steuerbares Ventil zur Verbindung der Kühlkammer mit der Umgebung der Rotationsvorrichtung und/oder einen Lüfter zur (insbesondere aktiven) Flutung der Kühlkammer mit Umgebungsatmosphäre, vorzugsweise Umgebungsluft auf. Eine aktive Kühlung mittels einer Art Klimaanlage oder dergleichen (also mit einer aktiven Kälteerzeugung) kann somit unterbleiben. Dies ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, dass diese Ausgestaltung - das steuerbare Ventil bzw. der Lüfter - technisch einfach umsetzbar ist. Die Zielkühltemperatur in der Kühlkammer wird insbesondere seitens des Controllers auf etwa (d. h. mit einer Abweichung von bspw. +/- 5 Grad Celsius) 50 Grad Celsius vorgegeben. Dieser im Vergleich zur üblichen Umgebungstemperatur vergleichsweise hohe Temperaturwert ergibt sich aufgrund von (optional gezielter) Leckage durch den vorstehend beschriebenen Dichtspalt und/oder durch Wärmeleitungseffekte durch den Probenhalter hindurch. Vorzugsweise ist zur Temperierung auf diesen Temperaturwert ein Temperatursensor in der Kühlkammer angeordnet und mit dem Controller verschaltet. Der Controller öffnet bei steigender Temperatur das Ventil oder die Ventile, so dass ein Austausch mit der Umgebung erfolgen kann. Gegebenenfalls und sofern vorhanden aktiviert der Controller auch den Lüfter, um mehr Umgebungsatmosphäre, insbesondere Luft, durch die Kühlkammer transportieren zu können und somit die Kühlwirkung zu steigern.

Bevorzugt ist der Controller dazu eingerichtet, die Heizvorrichtung derart anzusteuern, dass in der Heizkammer ein Temperaturwert von etwa 80 bis 120 Grad Celsius vorliegt. Vorzugsweise ist hierzu auch in der Heizkammer ein Temperatursensor angeordnet. Die Heizvorrichtung weist optional Heizdrähte, eine Flächenheizung oder dergleichen auf. Da im bestimmungsgemäßen Betrieb der Probenhalter mit dem oder dem jeweiligen daran gehalterten Probenträger rotiert, erfolgt vorteilhafterweise eine Verwirbelung der Atmosphäre in der Heizkammer und damit eine Homogenisierung der Temperatur. Außerdem ist aufgrund der Relativbewegung des Probenträgers zur Atmosphäre die konvektive Wärmeübertragung verbessert, insbesondere da isolierend wirkende, stehende Grenzschichten zwischen Probenträger und Heizkammer immer wieder aufgelöst werden oder sich nicht ausbilden.

Erfindungsgemäß wird der vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Probenträger in dem eingangs beschriebenen Verfahren verwendet. Dabei wird der Probenträger folglich zunächst mit der Probenflüssigkeit, die zumindest potentiell DNA enthält, befüllt und mittels einer Rotationsvorrichtung, optional der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Rotationsvorrichtung, um eine Rotationsachse rotiert. Wenigstens der erste Kanalabschnitt wird dabei zumindest abschnittsweise mittels der mittels der Heizvorrichtung temperierten Atmosphäre auf einen hohen Temperaturwert erwärmt, wodurch eine Konvektionsströmung der Probenflüssigkeit innerhalb des Ringkanals der entsprechenden Kavität erzeugt wird. Alternativ zu der erfindungsgemäßen Rotationsvorrichtung kommt optional eine solche zum Einsatz, die anstelle der vorstehend beschriebenen Heizvorrichtung zum Temperieren der Atmosphäre in der Heizkammer eine Kontakt- oder Flächenheizung, vorzugsweise in den Probenhalter integriert, aufweist. In diesem Fall wird der erste (oder zu erwärmende) Kanalabschnitt durch Wärmeleitung, bspw. mittels eines Peltier-Elements oder eines Widerstandsheizkörpers, einseitig erwärmt. Weiter erfindungsgemäß wird die vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Rotationsvorrichtung in dem eingangs beschriebenen Verfahren verwendet. Optional kann hierbei auch ein anderer Probenträger als der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Probenträger zum Einsatz kommen. Bevorzugt kommt aber der erfindungsgemäße Probenträger zum Einsatz. Im Rahmen des Verfahrens wird dabei wenigstens ein Abschnitt der Kavität oder einer von gegebenenfalls mehreren Kavitäten des Probenträgers zumindest abschnittsweise mittels der mittels der Heizvorrichtung temperierten Atmosphäre auf einen hohen Temperaturwert erwärmt sowie vorzugsweise ein anderer Abschnitt (vorzugsweise derselben Kavität) mittels der in der Kühlkammer vorliegenden, bevorzugt kühleren Atmosphäre gekühlt. Aufgrund der Erwärmung, insbesondere aufgrund der durch die zusätzliche Kühlung hervorgerufenen Temperaturdifferenz, wird dabei eine Konvektionsströmung der Probenflüssigkeit innerhalb der entsprechenden Kavität erzeugt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht auf eine Unterseite einen Probenträger mit einer Anzahl von Kavitäten,

Fig. 2, 3 in schematischer, quasi-durchsichtiger Seitenansicht jeweils ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Rotationsvorrichtung, die in dem Verfahren verwendet wird,

Fig. 4 in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren zur Vervielfältigung von DNA, und

Fig. 5-10 in schematischer Detailansicht von einer Unterseite und von einer Seite jeweils verschiedene Ausführungsbeispiele einer Kavität des Probenträgers.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 ist ein Probenträger 1 grob schematisch dargestellt, der zur Verwendung in einem rotationsbasierten Verfahren zur Vervielfältigung oder Detektion von DNA, nachfolgend anhand von Fig. 4 näher beschrieben, eingerichtet und vorgesehen ist. Der Probenträger 1 weist einen scheibenförmigen - d. h. flachen - und im vorliegenden Ausführungsbeispiel halbkreisförmigen Grundkörper 2 auf. In diesem sind mehrere mikrofluidische Kavitäten ausgebildet, hier nur beispielhaft dargestellt eine Füllkammer 4, in die eine entnommene Probe eingeführt werden kann, eine hierzu „stromabwärts“ angeordnete Prozesskammer 6 sowie ein Verbindungskanal 8 zwischen diesen beiden. Die Größe der Prozesskammer 6 gegenüber dem Grundkörper 2 ist hier zu Verdeutlichung der nachfolgend näher beschriebenen Eigenschaften stark übertrieben dargestellt.

In Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele einer Rotationsvorrichtung 10 dargestellt, die ebenfalls zur Verwendung in einem rotationsbasierten Verfahren zur Vervielfältigung von DNA, vorzugsweise gemeinsam mit dem Probenträger 1 , eingerichtet und vorgesehen ist. Die Rotationsvorrichtung 10 weist dabei ein Gehäuse 12 auf, das mit seiner Seitenwand 14 einen kreiszylindrischen Gehäuseinnenraum, im Folgenden als „Analysekammer 16“ bezeichnet, umgibt. Weiterhin weist die Rotationsvorrichtung 10 einen Probenhalter 18 auf. Auf diesem ist bei Durchführung des Verfahrens (d. h. im bestimmungsgemäßen Betrieb) der Probenträger 1 gehaltert. Der Probenhalter 18 ist mittels eines Rotationsantriebs 20 um eine Rotationsachse 22 rotierbar. Somit handelt es sich bei dem Probenhalter 18 um einen Drehteller.

Der Probenhalter 18 ist derart in der Analysekammer 16 angeordnet, dass er diese in zwei Teile unterteilt ist. Der in Fig. 2 und 3 obere Teil bildet dabei eine Heizkammer 24. Die Rotationsvorrichtung 10 weist eine Heizvorrichtung 26 auf, die dazu eingerichtet ist, die Atmosphäre, konkret die Luft in der Heizkammer 24 zu erwärmen. Der in Fig. 2 und 3 untere Teil der Analysekammer 16 bildet eine Kühlkammer 28. Zu deren Temperierung weist die Rotationsvorrichtung 10 eine Kühlvorrichtung 30 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst diese einen Lüfter 32 auf, mittels dessen die Kühlkammer 28 im bestimmungsgemäßen Be- trieb mit einem Kühlluftstrom, der durch eingesaugte Außenluft gebildet ist, durchströmt wird. Außerdem umfasst die Kühlvorrichtung 30 ein steuerbares Ventil 34, durch das Luft aus der Kühlkammer 28 in die Umgebung ab- oder auch ohne aktivierten Lüfter 32 eingelassen werden kann.

Ein Controller der Rotationsvorrichtung 10 zur Steuerung des Rotationsantriebs 20, der Heizvorrichtung 26 und der Kühlvorrichtung 30, also des Lüfters 32 und des Ventils 34 ist vorhanden aber nicht näher dargestellt.

Um den Übertritt warmer Luft aus der Heizkammer 24 in die Kühlkammer 28 möglichst gering zu halten, ist ein Dichtspalt 36 zwischen der Seitenwand 14 und dem Probenhalter 18 auf weniger als 1 mmm gehalten.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 12 mittels eines Gelenks 38 zwischen der Heizkammer 24 und der Kühlkammer 28 aufklappbar gestaltet. Dadurch kann der Probenhalter 18 einfach bestückt und/oder die Rotationsvorrichtung 10 gewartet werden. Der Außenrand der Probenhalters 18 liegt dabei in einer Nut 40 ein, die in die Seitenwand 14 eingearbeitet ist. Dadurch ist eine Labyrinthdichtung geschaffen (vgl. Fig. 3). Prinzipiell ist das Gehäuse 12 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 ebenfalls aufklappbar, um den Probenhalter 18 bestücken zu können, aber nicht notwendigerweise in der Ebene des Probenhalters 18.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein automatischer Einzug des Probenträgers 1 in die Rotationsvorrichtung 10 - vergleichbar zu einem CD- oder DVD-Laufwerk - vorgesehen.

Des Weiteren weist die Rotationsvorrichtung 10 in einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel einen Codeleser zum Einlesen von bspw. Bar- und/oder QR-Codes auf, mittels derer ein Analyseergebnis für die aktuelle Probe spezifiziert über ein Netzwerk an eine Datenbank weitergegeben werden kann. Zur Vervielfältigung von DNA wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 (s. Fig. 4) der Probenträger 1 und die DNA enthaltene Probe bereitgestellt. Die Probenflüssigkeit bildet sich nach dem Einführen der Probe in die Füllkammer 4 und enthält neben der zu vervielfältigenden DNA auch Primer-Moleküle, Desoxynucleosid- triphosphate („dNTPs“), Strukturbausteine für die Bildung neuer DNA-Stränge sowie Polymerase und Co-Faktoren der Polymerase. Außerdem ist die Flüssigkeit gepuffert. Vorzugsweise ist in der Füllkammer 4 oder einer weiteren nicht dargestellten Kammer eine Flüssigkeit vorgelagert, die zum „Auswaschen“ des Probenmaterials aus einem Probenträger (bspw. einem Tupfer) sowie als Trägerflüssigkeit für die o. g. Reagenzien dient. Optional kommen manche dieser Reagenzien auch erst in Form von vorgelagerten (trockenen) Stoffen in der Prozesskammer 6 hinzu. In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird der befüllte Probenträger 1 auf den Probenhalter 18 aufgelegt und auf diesem befestigt. Der Probenträger 1 liegt dabei auf einer in der Heizkammer 24 liegenden Wärmeeintragsseite 40 des Probenhalters 18 auf.

In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird mittels der Heizvorrichtung 26 die Luft in der Heizkammer 24 auf etwa 100 Grad Celsius temperiert. Dies stellt im beschriebenen Verfahren einen hohen Temperaturwert dar. Parallel dazu treibt der Rotationsantrieb 20 den Probenhalter 18 zur Rotation um die Rotationsachse 22 an, so dass auch eine jede Kavität des Probenträgers 1 um die Rotationsachse 22 rotiert wird. Mittels der Kühlvorrichtung 30 wird die Luft in der Kühlkammer 28 auf einen niedrigen Temperaturwert von etwa 50 Grad Celsius temperiert. Aufgrund der Rotation des Probenhalters 18 erfolgt auch eine Bewegung und somit Durchmischung der Luft in der Heizkammer 24 sowie in der Kühlkammer 28.

Wie aus Fig. 1 und 5 hervorgeht, weist die Prozesskammer 6 des Probenträgers 1 eine ringförmig verlaufende Kanalstruktur auf, die wiederum durch einen ersten Kanalabschnitt 50 und einen zweiten Kanalabschnitt 52 gebildet ist. Diese Kanalabschnitte 50 und 52 sind langgestreckt ausgebildet und verlaufen (zumindest annähernd, d. h. optional mit einem Winkelversatz von wenigen, einzahligen Winkelgrad) parallel zueinander sowie (zumindest annähernd parallel) zu einer - im be- stimmungsgemäßen Betriebszustand auf der Rotationsachse 22 senkrecht stehenden - Radialen. Anders ausgedrückt sind die beiden Kanalabschnitte 50 und 52 bei bestimmungsgemäßer Rotation während des Verfahrens also in Richtung der Fliehkraft ausgerichtet. Die Kanalabschnitte 50 und 52 sind jeweils endseitig durch Verbindungskanäle 54 fluidisch verbunden. Außerdem sind die Kanalabschnitte 50 und 52 in Dickenrichtung des Grundkörpers 2, also in Richtung der Rotationsachse 22 zueinander versetzt. Konkret ist dabei der erste Kanalabschnitt 50 im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand des Probenträgers 1 zu einer Wärmequelle hin versetzt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Rotationsvorrichtung 10 also zur Heizkammer 24 hin. Umgekehrt ist der zweite Kanalabschnitt 52 zur Kühlkammer 28 hin versetzt. Um einen Wärmeaustausch der Luft in der Kühlkammer 28 mit der Prozesskammer 6, zumindest mit dem zweiten Kanalabschnitt 52 zu ermöglichen, weist der Probenhalter 18 ein Fenster 56 auf, durch das hindurch Luft aus der Kühlkammer 28 an den zweiten Kanalabschnitt 52 strömen kann. Optional steht der zweite Kanalabschnitt 52 über die Ebene der Wärmeeintragsseite 40 des Probenhalters 18 über und liegt somit in dem Fenster 56 ein oder steht sogar zur Unterseite hin, also in die Kühlkammer 28 über den Probenhalter 18 hinaus (nicht dargestellt).

Somit wird im Verfahrensschritt S3 in den ersten Kanalabschnitt 50 aufgrund seiner (in Bezug auf den zweiten Kanalabschnitt 52 gesehen) größeren „Nähe“ zur Heizkammer 24 vergleichsweise mehr Wärme eingetragen als in den zweiten Kanalabschnitt 52. Aufgrund der Rotation des Probenhalters 18 und der dadurch bedingten Relativbewegung zur Luft, wird auch der konvektive Wärmeaustausch der beiden Kanalabschnitte 50 und 52 mit der Heizkammer 24 bzw. der Kühlkammer 28 unterstützt.

Aufgrund der Erwärmung des ersten Kanalabschnitts 50 von der Heizkammer 24 her und der Kühlung des zweiten Kanalabschnitts 52 von der Kühlkammer 28 her bildet sich innerhalb der Kanalstruktur der Prozesskammer 6 ein Temperaturgradient aus, der parallel zur Rotationsachse 22 verläuft. Aufgrund der Rotation stellt sich ein künstliches Schwerefeld radial zur Rotationsachse 22 ein. Des Weiteren führt der Temperaturgradient zu Dichteunterschieden in der Probenflüssigkeit. Diese temperaturbedingten Dichteunterschiede führen in Verbindung mit dem künstlichen Schwerefeld zu einer auftriebsgetriebenen Konvektionsströmung, dessen Hauptströmungsrichtung aufgrund des künstlichen Schwerefelds grundsätzlich radial gerichtet ist. Anders ausgedrückt ist die Haupt-Auftriebskomponente radial einwärtsgerichtet. Aufgrund der Ringstruktur der Prozesskammer 6 fließen Flüssigkeitselemente aufgrund ihrer Erwärmung in dem ersten Kanalabschnitt 50 und der damit einhergehenden Dichteabnahme radial einwärts. Entsprechend fließen Flüssigkeitselemente aufgrund der Abkühlung in dem zweiten Kanalabschnitt 52 und der damit einhergehenden Dichtezunahme schwerkraftbedingt radial nach außen. Da die beiden Kanalabschnitte 50 und 52 zu einem Ring verbunden sind, fließen die Flüssigkeitselemente radial innenseitig von dem ersten Kanalabschnitt 50 durch den Verbindungskanal 54 in den zweiten Kanalabschnitt 52 ab und an dessen Ende entsprechend wieder in den ersten Kanalabschnitt 50. Aufgrund der Zentrifugalkräfte der Rotation (in Fig. 4 nach rechts gerichtet) und der aufgrund der Rotation ebenfalls vorhandenen Corioliskraft erfolgt aber auch eine (homogene) Durchmischung der Probenflüssigkeit quer zum grundsätzlichen Strömungspfad der Konvektionsströmung. Die Geschwindigkeit der Konvektionsströmung nimmt dabei mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit zu.

Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, weist der zweite Kanalabschnitt 52 zwei Teiloder „Subkammern“ auf, von denen die radial innenliegende als „Kühlkanal 58“ und die radial außenseitig daran angeschlossene als „Annealing-Kanal 60“ bezeichnet wird. Der Kühlkanal 58 weist dabei eine in Ebenenrichtung des Grundkörpers 2 größere Breite als der Annealing-Kanal 60 auf, damit eine möglichst schnelle Abkühlung auf eine „Annealing-Temperatur“ von etwa 65 Grad Celsius ermöglicht wird. Der Querschnitt des Annealing-Kanals 60 ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als der des Kühlkanals 58 gewählt, damit eine im Vergleich höhere Abflussgeschwindigkeit und damit ein verringerter Wärmeaustrag, sowie auch ein geringer Wärmeverlust beim Übergang zum ersten Kanalabschnitt 50, ermöglicht wird. Der erste Kanalabschnitt 50 weist ebenfalls zwei Teilkammern auf, von denen die radial außenseitige als Widerstands-Kanal 62 und die radial innenseitige als Denaturierungskanal 64 bezeichnet wird. Der Widerstands-Kanal 62 weist dabei einen gegenüber dem Annealing-Kanal 60 und auch dem Verbindungskanal 54 weiter verringerten Querschnitt auf. Dadurch wird die Probenflüssigkeit beschleunigt und auch der Fluss durch den Annealing-Kanal 60 kontrolliert (oder auch: vorgegeben). Im Denaturierungskanal 64 kann die Temperatur (von bspw. 90 bis 100, insbesondere etwa 95 Grad Celsius) aufgrund dessen wiederum - im vorliegenden Ausführungsbeispiel - vergrößerten Querschnitts zumindest näherungsweise konstant gehalten werden.

In Fig. 7 und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Prozesskammer 6 dargestellt. Die Unterschiede zum vorausgehenden Ausführungsbeispiel liegen hierbei in den Abmessungen des Annealing-Kanals 60 im Verhältnis zum Kühlkanal 58 sowie in der Gestaltung des ersten Kanalabschnitts 50. Der Annealing-Kanal 60 weist dabei die gleiche „Tiefe“ oder „Höhe“ (also das in Richtung der Rotationsachse 22 verlaufende Maß) auf wie der Kühlkanal 58. Dadurch wird die Strömung im Verhältnis zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und 6 geringer beschleunigt. Der erste Kanalabschnitt 50 ist dabei über seine gesamte Länge nahezu konform ausgebildet. Eine Unterscheidung in Widerstands-Kanal 62 und Denaturierungskanal 64 wird hierbei nicht gemacht. Der erste Kanalabschnitt 50 ist dabei etwa düsenartig mit einem vergleichsweise langgestreckten, verjüngten Mittelteil ausgebildet. Die Denaturierung erfolgt hier ebenfalls im verjüngten Mittelteil, sobald die entsprechende Temperatur erreicht ist. Dies ist in einer beispielhaften Ausführung - zumindest bei einer Rotationsvorrichtung mit einer Kontaktheizung - möglich, bei der die Querschnittsfläche des ersten Kanalabschnitts 50 (in seinem verjüngten Bereich) 0,162 mm ² beträgt sowie der zweite Kanalabschnitts 52 so gestaltet ist, dass bei 10 Hz Rotationsgeschwindigkeit des Probenträgers 1 die Probenflüssigkeit derart lange im ersten Kanalabschnitt 50 verbleibt, dass der Denaturierungstemperaturwert erreicht wird. Für höhere Drehzahlen kann die Querschnittsfläche des ersten Kanalquerschnitts 50 aufgrund der dann höheren Fließgeschwindigkeit entsprechend verringert werden. Um die Einwirkung der aufgeheizten Luft der Heizkammer 24 - oder eines anderen Heizmittels - auf den zweiten Kanalabschnitt 52 zu verringern, ist diesem eine Wärmeisolationsschicht 66 untergelegt. Bspw. handelt es sich bei der Wärmeisolationsschicht um ein Gas-gefülltes „Kissen“, bspw. eine hohle oder geschäumte Platte.

In Fig. 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Prozesskammer 6 dargestellt. Hierbei ist der Annealing-Kanal 60 schmäler, aber dafür tiefer als der Kühlkanal 58 ausgebildet. Dadurch ist das Volumen im Annealing-Kanal 60 erhöht, so dass der Wärmeverlust geringgehalten werden kann, obwohl hier die Wärmeisolationsschicht 66 nur dem Kühlkanal 58 untergelegt ist. Der - hier wieder ausgeprägt vorhandene - Denaturierungskanal 64 ist vergleichbar zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und 6 mit gegenüber dem Widerstands-Kanal 62 vergrößertem Querschnitt ausgebildet.

In jedem der vorstehend beschrieben Ausführungsbeispiele sind die ersten und zweiten Kanalabschnitte 50 und 52 in tangentialer Richtung zueinander versetzt. Dadurch wird einerseits die Zwischenlagerung der Wärmeisolationsschicht 66 vereinfacht, andererseits wird so aber auch ermöglicht - insbesondere für den Fall, dass der Grundkörper 2 zumindest im Bereich der Prozesskammer 6 transparent gestaltet ist -, die Vorgänge innerhalb der beiden Kanalabschnitte 50 und 52 zu überwachen, bspw. mittels eines Fluoreszenz-Detektors oder dergleichen.

Außerdem ist in jedem der vorstehend beschrieben Ausführungsbeispiele den beiden Kanalabschnitten 50 und 52 ein Zulauf 68 (oder auch: „Einlaufbereich“) zugeordnet, über den die Befüllung mit der Probenflüssigkeit erfolgt. Dieser Zulauf 68 weist zwei Einlaufkammern, auch als „Blasenfallen 70“ bezeichnet auf, von denen jede mit einem der beiden Kanalabschnitte 50 und 52 über einen Anschnitt 72 in fluidischer Verbindung steht. Die zugeführte Menge an Probenflüssigkeit wird dabei derart gewählt, dass nach bestimmungsgemäßer Befüllung der Kanalabschnitte 50 und 52, d. h., wenn in beiden Kanalabschnitten 50 und 52 sowie in den Verbindungskanälen 54 die Probenflüssigkeit steht, auch in den Blasenfallen 70 noch Teile der Probenflüssigkeit stehen. Die Anschnitte 72 sind dabei derart bemessen, dass Gasblasen, die sich im bestimmungsgemäßen Betrieb aufgrund der Erwärmung der Probenflüssigkeit bilden, durch diese hindurch entgegen dem künstlichen Schwerefeld in die Blasenfallen 70 „aufsteigen“ und sich dort sammeln können, ohne die Anschnitte zu „verstopfen“. Dies wird durch die teilgefüllten Blasenfallen 70 begünstigt.

Die Abmessungen der Kanalabschnitte 50 und 52 sowie der Verbindungskanäle 54 sind dabei derart gewählt, dass bei Rotations-Drehzahlen im Bereich von 5 bis 40 Hz die Probenflüssigkeit in der Annealing-Kammer 60 einen Temperaturwert von etwa 65 Grad Celsius aufweist und im ersten Kanalabschnitt 50 oberhalb der Schmelztemperatur der DNA, konkret oberhalb von 90 Grad Celsius, insbesondere bei etwa 90 Grad Celsius.

Insbesondere die Verfahrensschritte S1 bis S3 können auch zumindest teilweise zeitgleich zueinander erfolgen. Insbesondere muss der Probenhalter 10 während der Befüllung der Prozesskammer 6 nicht stillstehen. Ebenso kann auch die Heizvorrichtung 26 bereits die Luft in der Heizkammer 24 erwärmen.

In einer optionalen Ausführung des Verfahrens wird der Verfahrensschritt S3 für eine vorgegebene Dauer aufrechterhalten. Danach wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 die Rotation des Probenhalters 10 sowie das Heizen mittels der Heizvorrichtung 26 eingestellt. Optional kann der vierte Verfahrensschritt S4 auch eingeleitet werden, wenn mittels des vorstehend genannten Fluoreszenz-Detektors ein hinreichend hoher Umsatz an Reagenzien festgestellt wird.

Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden. Bezugszeichenliste

1 Probenträger

2 Grundkörper

4 Füllkammer

6 Prozesskammer

8 Verbindungskanal

10 Rotationsvorrichtung

12 Gehäuse

14 Seitenwand

16 Analysekammer

18 Probenhalter

20 Rotationsantrieb

22 Rotationsachse

24 Heizkammer

26 Heizvorrichtung

28 Kühlkammer

30 Kühlvorrichtung

32 Lüfter

34 Ventil

36 Dichtspalt

38 Gelenk

39 Nut

40 Wärmeeintragsseite

50 Kanalabschnitt

52 Kanalabschnitt

54 Verbindungskanal

56 Fenster

58 Kühlkanal

60 Annealing-Kanal

62 Widerstands-Kanal

64 Denaturierungskanal

66 Wäremisolationsschicht 68 Zulauf

70 Blasenfalle

72 Anschnitt S1-S4 Verfahrensschritt