Title:
Ein System zur berührungsfreien Überwachung von Reaktionsgefäßen mit elektronischer Lagerhalterung, Herstellung geeigneter Gefäße und Überwachungstechnik
Kind Code:
A1
Abstract:

Schaffung eines integrierten Reaktionsgefäße (RG)-, Experiment-, Daten- und Knowledge-Management Systems für das Labor durch automatisierte, drahtlose Identifizierung, Verwaltung, Analyse und Messung individueller RG und Reaktionsabläufen aus variablem Bestand. Unterstützung erfolgt durch eine Steurungs- und Auswertesoftware Experimental Knowledge and Product Data Management Software (ExKPDM). RG-Messung, Ordnung und Reaktionen werden elektronisiert, das RG wird intelligent gelenkt einschließlich berührungsfrei ablesbarer Markierung.



Inventors:
Neuberger, Arthur (97070, Würzburg, DE)
Ahmed, Zeeshan (97080, Würzburg, DE)
Dandekar, Thomas (97074, Würzburg, DE)
Application Number:
DE102014005549A
Publication Date:
10/23/2014
Filing Date:
04/16/2014
Assignee:
Julius-Maximilians-Universität Würzburg, 97070 (DE)
International Classes:
Foreign References:
200300320332003-02-13
72756822007-10-02
WO2009090043A12009-07-23
81977502012-06-12
WO2009068555A12009-06-04
80568152011-11-15
201202062392012-08-16
65938532003-07-15
Other References:
Zeeshan et al. 2012)
Hill et al. (2011)
Buczek et al. (2005)
Hammond, Ali, et al. (2005)
Johannessen, Lei, et al. (2004)
Zeeshan, Ahmed, Thomas Dandekar, and Saman Majeed. "ADAM: Potential of PDM into Clinical Patient Data Management." Int. J. Emerg. Sci 2.2 (2012): 280-299
Hill, Philip J., Jochen Stritzker, Miriam Scadeng, Ulrike Geissinger, Daniel Haddad, Thomas C. Basse-Lüsebrink, Uwe Gbureck, Peter Jakob, and Aladar A. Szalay. "Magnetic resonance imaging of tumors colonized with baterial ferritin-expressing Escherichia coli." PloS one 6, no. 10 (2011): e25409
David Buczek & Associates, Inc. "Radio frequency identification (RFID) in blood banking and transfusion services." White Paper (2005): published in: http://www.digi-trax.com/whitepaperfiles/DBA.RFID.BloodBanking.Paper.pdf
Hammond, Paul A., Danish Ali, and David RS Cumming. "A system-on-chip digital pH meter for use in a wireless diagnostic capsule." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 52, no. 4 (2005): 687-694
Johannessen, Erik A., Lei Wang, Li Cui, Tong Boon Tang, Mansour Ahmadian, Alexander Astaras, Stuart WJ Reid et al. "Implementation of multichannel sensors for remote biomedical measurements in a microsystems format." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 51, no. 3 (2004): 525-535
Claims:
1. Herstellung eines Reaktionsgefäßes, das, unterstützt durch eine spezifische Steuerungs- und Auswertesoftware Product Data Management Software (ExKPDM), zur individuellen (Reaktionsablaufs-)Überwachung, Lagerhaltung und Verwaltung markiert ist und das Gefäß berührungsfrei beobachtet und intelligent gesteuert wird (IntelliEppi).

2. System bestehend aus Reaktionsgefäß gemäß Anspruch 1, einer Steuervorrichtung, einer Auswertevorrichtung, die zur individuellen Überwachung, Lagerhaltung, Verwaltung der Reaktionsgefäße geeignet ist, wobei das Reaktionsgefäß berührungsfrei beobachtet und gesteuert wird

3. Nutzung eines Systems nach Anspruch 2 bei dem ein aktiver oder passiver RFID Chip verwendet wird.

4. Nutzung eines Systems nach Anspruch 2 bei dem der RFID-Chip auf das Reaktionsgefäß gedruckt wird.

5. Nutzung eines Systems nach Anspruch 2 bei dem der RFID-Chip in das Reaktionsgefäß bei der Herstellung eingearbeitet wird.

6. Nutzung eines Systems nach Anspruch 2 bei dem der RFID-Chip an eine Analyse-Sonde gekoppelt ist und als eine wieder verwendbare Einheit in das Reaktionsgefäß eingebracht wird.

7. Nutzung eines Systems nach Anspruch 2 bei dem die berührungsfreie Gefäßdetektion durch eine biologische Markierung (GFP, Eisenbakterien etc.) optisch oder magnetisch erzielt wird.

Description:
1. Einführung

Intellieppi ist ein System zur drahtlosen Überwachung und Analyse von Reaktionsgefäßen inklusive elektronischer Lagerhaltung, Herstellung geeigneter Gefäße sowie Analyse- und Überwachungstechnik, alles vor dem Hintergrund einer intelligenten ExKPDM Software. Dabei wird eine „Individualisierung” jedes im Laboreinsatz befindlichen Reaktionsgefäßes durch die Kennzeichnung mit einem aktiven oder passiven RFID-Chip möglich gemacht. Im Fall eines aktiven Chips, wird dieser an eine Mikro-Mess-/ bzw. -Analysesonde gekoppelt, sodass neben den Daten zu dem Inhalt und experimentellen „Lebenslauf” des jeweiligen Reaktionsgefäß auch die darin ablaufenden Reaktionen parallel verfolgt werden können (z. B. über eine integrierte Mikro-pH-Sonde). Alle Daten fließen in eine eigens entwickelte Steuerungs- und Erfassungssoftware Experimental Knowledge and Product Data Management Software (ExKPDM) ein, die sich u. a. durch natural language processing, eine benutzerfreundliche Schnittstelle, Zugang zu chemischen Datenbanken und einem optimierten Management der Lagerhaltung, Experimentplanung und Datenverarbeitung von Reaktionsgefäßen auszeichnet (Siehe 1). Gleichzeitig ermöglicht das halboffene System dem Benutzer stets in das System einzugreifen und Änderungen vorzunehmen. Aus diesem integrierten Ansatz resultieren emergente Eigenschaften, durch welche das altbewährte Reaktionsgefäß neu erfunden wird und erstmals ein „intelligentEs Pipettiergefäß” (das Intellieppi) geschaffen wird. Die Grundeigenschaften eines Reagenzgefäßes (Messung, Ordnung, Reaktion) werden dabei vollkommen elektronisiert, wobei dennoch ein aktives Eingreifen stets möglich sein soll.

2. Beschreibung

Unser System ermöglicht es, Reagenzgefäße bei Laborversuchen oder (bio-)chemischen Herstellungszyklen auf elektronischer Basis individuell zu verwalten. Hierfür haben wir

  • (i) eine Reihe von Herstellungstechniken für individuell ortungsfähige und mit Daten beschreibbare bzw. auslesbare Reagenzgefäße entwickelt. So ermöglicht bspw. eines unserer Herstellungsverfahren die jeweils in einem solchen Reagenzgefäß ablaufenden (bio-)chemischen Reaktionen anhand der sich verändernden Werte (pH, pO2, pCO2, Glukosekonzentration etc.) direkt und kontinuierlich mit einer Minisonde zu analysieren. Der pH-Wert stellt z. B. für eine Vielzahl von (bio-)chemischen Versuchen und Herstellungszyklen einen zuverlässigen Hinweis auf den Ablauf von Reaktionen dar.
  • (ii) Elektronische Leitung, Steuerung und Verwaltung wird durch ein hier offenbartes ExKPDM Software-System ermöglicht. Statt einfachem Produkt-Datenmanagement [Zeeshan et al. 2012)] wird spezifisches Reaktionsgefäß/IntelliEppi-Management von der Software gesteuert. PDM-Techniken werden hier für die Elektronisierung, d. h. elektronische Überwachung und Steuerung des Gefäßes gezielt angewandt.
  • (iii) Emergente neue Fähigkeiten: Durch das Zusammenwirken der Komponenten entsteht so eine Minifabrik, in der komplexe Synthesen möglich sind, die sonst nicht erzielt werden können. Dabei kann es sich um einfache Verbesserungen wie stets frische Reagenzien (und Lagerhaltung) handeln oder um aufwendige Synthesen oder neue Möglichkeiten für molekularbiologische Prozesssteuerung (Nanotechnologie, synthetische Biologie), wobei unsere Erfindung (drahtlos überwachte Reagenzgefäße mit intelligenter Software und Reaktionsstrecke/Syntheseband) zugleich ein halb offenes System darstellt, in das jederzeit vom Benutzer manuell eingegriffen werden kann;

Die Identifizierung individueller Reagenzgefäße aus einem Pool an gelagerten bzw. aufbewahrten Proben wird in unserer Erfindung auf der Grundlage eines elektronisch-mechanischen oder, alternativ dazu, eines elektronisch-biologischen Systems ermöglicht, in welchem unter Nutzung einer RFID-Technologie, einer drahtlosen Erkennung oder einer biologischen Markierung (z. B. mittels biologischer Eisenmarkierung [Hill et al. (2011)]), Reagenzgefäße direkt berührungsfrei lesbar markiert werden.

Die markierten Proben werden mittels Lesegerät ausgelesen. Eine berührungsfreie lesbare Markierung findet z. B. mit Hilfe der RFID-Chip-Technologie statt. Die Reagenzgefäße, die dann mit einem solchen RFID-Chip versehen sind, werden dabei über einen Empfänger lokalisiert und die auf den Chip codierten Daten gelesen, bzw. bei Bedarf, um neue Datensätze ergänzt bzw. mit neuen Daten überschrieben.

Grundsätzlich unterscheiden wir dabei drei Anwendungsmodi:

  • I. Ein passiver RFID-Tag, der erst durch Induktion durch das Abfragegerät die kodierten Informationen (z. B. Identifizierungsnummer des jeweiligen Gefäßes) versendet.
  • II. Ein aktiver RFID-Chip mit eigener Energieversorgung, der in höhere Reichweiten gelesen werden kann und dabei einen größeren Funktionsumfang bietet, etwa komplexere, mit der jeweiligen Probe assoziierte Labordatensätze kodiert oder eine Temperaturüberwachung der Gefäße in Kühlschränken oder Laborgeräten steuert.
  • III. Eine recycling-fähige Funktionseinheit aus einer messenden Sonde (z. B. für pH oder einen komplexeren Liganden) und einem aktiven RFID-Chip (beides im Miniaturformat und elektronisch aneinander gekoppelt), die in das Innere des Gefäßes gegeben werden. Hierbei werden die gemessenen Werte (z. B. pH) auf den RFID-Chip geladen, der diese wiederum zusammen mit den übrigen kodierten Datensätzen an ein Empfängergerät versendet.

In Verbindung mit einer eigens für unser System programmierten Steuerungs- und Auswertesoftware Experimental Knowledge and Product Data Management Software wird eine umfassende elektronische Verwaltung (einschließlich Lagerhaltung) und Steuerung des Versuchsablaufs bzw. des Herstellungsprozesses ermöglicht sowie parallel hierzu, eine direkte und kontinuierliche Analyse der ablaufenden Reaktionen auf der Grundlage der Messung von Labor-Werten (z. B. pH) ermöglicht.

3. Anwendungsmöglichkeiten:

Dadurch ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete, neu offenbarte Eigenschaften sind komplexe Synthesen (z. B. für Dendrimere, aufwändige Molekularbiologie, synthetische Biologie), Miniaturisierung („Minifabrik”) und Qualitätssteigerung (Lagerhaltung, Reinheit, Schnelligkeit, Komplexität) bei RG, Reaktionen und Produkten. RG-Messung, Ordnung und Reaktionen werden vollkommen elektronisiert, das RG wird intelligent gelenkt einschließlich berührungsfrei ablesbarer Markierung (z. B. mit RFIDs).

Von unserer Erfindung werden vor allem Laboratorien profitieren, in denen im großen Maßstab mit RG gearbeitet wird (Pharmakologie, Chemie, molekulare Biotechnologie), z. B. für Synthesen mit höchsten Anforderungen an Präzision, Schnelligkeit, Reinheit oder Ausbeute, sowie Miniaturisierung, Schulung und elektronisch optimierte Lagerhaltung.

4. Stand der Technik

Reagenzgefäße werden auf vielfältige Weise in industriellen und naturwissenschaftlichen akademischen Laboratorien genutzt. In ihrer primären und damit häufigsten Funktion werden sie zur (vorübergehenden) Lagerung von kleinen (meistens bis zu 2 mL Volumen) Reagenzmengen verwendet. Dabei werden sie täglich in umfangreichen Mengen ver- und gebraucht.

Mit der rasanten technologischen Weiterentwicklung von Laborgeräten werden Experimente und Versuche in immer kürzerer Zeit und zugleich in immer umfangreicherem Maßstab vor dem Hintergrund eines fundierten Nachweises bzw. allgemein zur Generierung großer Datenmengen durchgeführt. Ähnlich wie im Fall der zügigen technologischen Expansion der Informationstechnologie gilt es auch im Fall der schnell und unkompliziert zu generierenden Datenmengen im molekularbiologischem Labor, diese Datenmengen effizient und effektiv zu verwalten, ihre Generierung zu steuern und die Informationen auszuwerten.

Jedoch ist der Überblick über den Verbleib der Reagenzgefäße in der Realität nicht leicht zu bewerkstelligen. Übliche Techniken sind die Markierung der Gefäße durch einen Marker (Beschriften), aber auch modernere Verfahren (automatisches Aufdrucken und Markieren; DNA-Watermarking [US 2003/0032033 A1]) finden in der Industrie oder bestimmten Versuchen ihre Anwendung.

4.1 Nutzung im bei Arbeiten im Labor

Was die manuelle Markierung der Reagenzgefäße durch einen Marker angeht, stellt diese zwar die momentan gängigste Methode in Laboratorien weltweit dar, ist aber mit einer hohen Fehlerrate assoziiert, da gerade im Labor intensiv mit Lösungsmitteln verfahren wird, die entsprechende Markierungen bei Kontakt unlesbar machen oder komplett entfernen können. Erschwerend kommt hinzu, dass bei Reaktionsgefäßen, die öfter benutzt und damit häufig geöffnet und wieder verschlossen werden, das Risiko der Verwischung von Markierungen auf Deckeloberseite oder an der Außenwand des Gefäßes zusätzlich steigt. Ferner ist bei der alltäglichen Arbeit mit Reaktionsgefäßen gängiger Hersteller festzustellen, dass die Möglichkeit einer eindeutigen Markierung durch die relativ kleine Fläche auf Oberseite und Außenwand des Reaktionsgefäßes enorm limitiert ist. Ab mehreren Dutzend zu markierenden Reaktionsgefäßen müssen diese zwangsläufig mit Nummern oder einer Kombination aus Buchstaben und Nummern markiert werden. Folglich ist es notwendig, parallel eine Liste oder Excel-Datei anzulegen und fortan zu führen, in der zu jeder individuellen Codierung der entsprechende Inhalt des Reaktionsgefäßes manuell eingetragen werden muss. Das ist in beiden Fällen höchst aufwendig und fehlersensibel.

4.2 Automatisierungsansätze und Stand der Technik

Ein Verfahren zur Analyse von Probeflüssigkeiten in einem Reagenzgefäß wurde erstmals 1995 von der Boehringer Mannheim GmbH vorgeschlagen (EP 1995/0637750 A2). Hierbei sollten „Daten hoher Informationsdichte” mit Hilfe eines zweidimensionalen Strichcodes oder eines Chips auf ein Gefäß oder in einem Gefäß mit Reagenzlösungen modifizierbar gespeichert werden. Diese Daten sollten optisch oder elektromagnetisch gelesen werden und zur Durchführung und Steuerung der Analysen dienen. Eine mögliche Umsetzung der grundsätzlichen Konzeption könnte mit Hilfe der RFID-Technologie erfolgen. RFIDs wurden bereits erfolgreich für die elektronische Identifizierung und Verwaltung von Blutspenden in Blutbanken kommerzialisiert [Siehe dazu: Buczek et al. (2005)].

Die Identifizierung molekularbiologischer Proben mittels RFIDs wurde u. a. 2007 von der Varian, Inc. vorgeschlagen (US 2007/7275682 B2).

Im System von F. Hoffmann-La Roche AG, Roche Diagnostics GmbH, Heinz Trüeb, Armin Birrer und Thomas Brauner sind die Reagenzgefäße seitlich mit einem RFID markiert und werden in einer entsprechenden Apparatur elektronisch ausgelesen (WO 2009/090043 A1).

Das neueste System von Roche Molecular Systems, Inc. (US 2012/8197750 B2) besteht dabei ebenfalls aus Reaktionsgefäßen, die an ihrer Seite mit einem RFID-Chip markiert sind, einem das Reaktionsgefäß haltenden Element und einem mit Antennen ausgestatteten, RFID-Chip lesenden und beschriftenden Element. Dabei werden Reaktionsgefäßen, die in ein entsprechendes rack platziert sind, welches wiederrum in die Erfindung über einen speziellen rack-Halter eingebracht wird, über Antennen gelesen und beschrieben.

Im System von Dachi s. r. l. und Pedrazzini (WO 2009/068555 A1) werden mittels eines RFID-Chip (oder mittels Barcode) markierte Reaktionsgefäße in der Erfindung maschinell in der Weise verwaltetet, als dass die auf dem Chip gespeicherten Informationen ausgelesen und die Reaktionsgefäße auf der Basis dieser zum weiteren Prozessieren im Labor über ein Schienensystem zu entsprechenden Einsatzorten transportiert werden.

Was die Markierung der Reaktionsgefäße mit einem RFID-Chip betrifft, so führt die PolylC GmbH & Co. KG das Patent über RFID Transponder (US 2011/8056815 B2), die zum Bedrucken geeignet sind. Die entsprechende RFID-Druck-Technologie ist wiederrum durch ein Patent der Brady Worldwide, Inc. (US 2003/6593853) geschützt.

4.3 Nachteile am Stand der Technik

  • (i) An eine elektronische Sichtung des Laborbestandes mittels RFID-Technologie wurde bereits in anderen Erfindungen offenbart (siehe 4.2) und in Ansätzen kommerziell umgesetzt: bspw. in der RFID-basierten Verwaltung von Reaktionsgefäßen und Versuchssteuerung, in der Lagerhaltung über Computerprogramme oder im Vorpipettieren durch „epMotion” der Firma Eppendorf oder durch andere Pipettierroboter, z. B. „PIRO” von Dornier-LTF GmbH. Im Falle von „epMotion” und „PIRO” handelt es sich jedoch um geschlossene Monitoring-Systeme, in die nicht manuell eingegriffen werden kann. Mögliches Eingreifen und Individualisierung wird durch die vorinstallierten Handlungsmodi limitiert, dies wird erst mit einer integrierten Lösung flexibler (s. unten).
  • (ii) Darüber hinaus wird bei keiner dieser Erfindungen eine Koppelung der RFID-basierten Überwachung/-Verwaltung der Reaktionsgefäße mit simultaner reaktionsinhaltlicher Analyse oder sonstiger Überwachung der Reaktion aufgeführt.

Eine biologische Markierung z. B. mit Hilfe von Eisenbakterien oder anderen drahtlos auslesbaren Materialien (DNA, da paramagnetisch, oder Häm, GFP und aromatische Gruppen, da spektroskopisch auslesbar) ist neuartig, ebenso wie die integrierte Anordnung von Sensor im Reaktionsgefäß, eine schnellere „live”-Bearbeitung der Ergebnisse und biologisches Recyclen.

Auch bietet keine dieser Erfindungen eine Synchronisation der Verwaltung und Analyse mit einer umfangreichen, benutzerfreundlichen und für den Laboralltag eigens konzipierten PDM Softwarelösung an (ExKPDM, mit Punkten (i), (ii), siehe oben). Dies war bis dato noch durch keine andere Anwendung ermöglicht worden.

Im Gegensatz zu geschlossenen Systemen, wie z. B. automatischen Syntheseprozessen in der Industrie, kann in dieses System jederzeit manuell eingegriffen werden. Auch in dem Fall von robotisierten Pipettieranlagen, wie z. B. „epMotion” oder „PIRO”, handelt es sich um geschlossene Monitoring-Systeme, in die ein manuelles Eingreifen nicht möglich ist bzw. beschränkt wird durch die vorinstallierten Handlungsmodi (bzw. ein Eingriff zu einer Verfälschung der Ergebnisse führen würde). Unser System bietet dem Anbieter jederzeit die Möglichkeit korrigierend in den Prozess einzugreifen und die Prozessierung jedes individuellen Gefäßes nach Belieben manuell zu modifizieren. Eine Identifizierung individueller Reagenzgefäße macht aus unserer Sicht vor allem dann Sinn, wenn sie durch direkt und kontinuierlich zu verfolgende Reaktionsabläufe motiviert wird, in die der überwachende Benutzer auch jederzeit manuell eingreifen kann.

4.4 Stand der Technik mit Bezug auf den Einsatz von Microsonden

Verkapselte „System-on-chip Microlaboratories” wurden bereits in der Vergangenheit erfolgreich entworfen und gebaut. So haben beispielsweise Hammond, Ali und Kollegen einen digitalen „System-on-chip” pH-Messer entworfen [Hammond, Ali, et al. (2005)], während das verkapselte „Microlab” von Johannessen, Lei und Kollegen eine in situ Messung von Temperatur, pH, Leitfähigkeit und gelöstem Sauerstoff in Echtzeit ermöglicht [Johannessen, Lei, et al. (2004)].

5. Erfindungsgemäße Lösung

Erfindungsgemäß wird das obige Problem dadurch gelöst (und die Erfindung gekennzeichnet), dass wir eine integrierte Lösung der Überwachung von Reaktionsgefäßen einschließlich proprietärer elektronischer Lagerhaltung und Software, Herstellung geeigneter Gefäße und offenbarter Überwachungstechnik sowie die Anwendung des IntelliEppi in einem elektronisch überwachtem Reaktions-Kreislauf in diesem Patent offenbaren, der selber dann zu besonderen und neuen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich Synthesefähigkeiten, Reinheit und Frische der Reagenzien führt und der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt wird.

Das System besteht aus der berührungsfreien Aufspür- und Verfolgungsvorrichtung des Reagenzgefäßes (z. B. RFID-Sonde im/am/beim Reaktionsgefäß), dem Reaktionsgefäß selbst, seinem jeweiligen Prozesskreislauf im Labor sowie seiner Steuerung durch die proprietäre Steuerungs- und Auswertesoftware um somit ein halboffenes System (Nutzereingriff stets möglich, jedoch nicht nötig) für wesentlich verbesserte biochemische oder molekularbiologische Synthesen und Analysen im Labor zur erzielen.

  • 2.2 Die Überwachung des Ortes der Reaktionsgefäßes erfolgt erfindungsgemäß berührungsfrei und drahtlos (Fernwirkung). Erzielt werden kann dies beispielsweise durch Radiofrequenzdetektion eines kleinen Senders, der
  • (i) direkt in das Reaktionsgefäß aus Polypropylen (PP; CAS-Nummer: 9003-07-0) eingebaut wird (beim Herstellungsvorgang integriert, verwendet wird dafür ein Kunststoff RFID, zu erhalten etwa von der PolylC GmbH), wir patentieren dabei den integrierten Herstellungsprozess der RGs, dies ist dadurch möglich, das wir die Komponenten jetzt so gewählt haben, dass die Temperatur und die verwendeten Werkstoffe (Polypropylen verkleidet auch den RFID) sich optimal bei der Fertigung ergänzen.
  • (ii) Alternativ wird der RFID entsprechend vorhandenen Technologien mikroverkapselt („System-on-chip Microlaboratories” [Hammond, Ali, et al. (2005)] [Johannessen, Lei, et al. (2004)]), aber Gegenstand des Patentes ist nicht die Verkapselung selbst, sondern die Mikroverkapselung und das dies zur Überwachung von RGs in einem integriertem System genutzt wird. Eine weitere Ausführung der Mikroverkapselung sind eisenhaltige Bakterien, die mit NMR detektiert werden können [Hill et al. (2011)]. Wieder wird nur die Verwendung dieser Nano-RFID in einem Überwachungssystem für RGs patentiert.
  • (iii) Die Überwachung der RGs besteht aus dem RG-RFID Tag nach (i) oder (ii), einem entsprechendem elektronischen überwachungs- und Lagerhaltungsprogramm, dem Recycling der RFIDs, die nach (ii) für die Überwachung der RGs benutzt werden. Durch die Koppelung einer Labor-Werte-erfassenden Sonde (z. B. pH) an einen aktiven RFID-Chip (Ausführung III.) entsteht eine komplett wiederverwendbare Tracking- and Analysis Unit. Dafür wird ein aktiver HF-Band RFID-Transponder im Mikroformat verwendet, wie beispielweise der zurzeit kleinste erhältliche HF-Band RFID Transponder (3.2 × 3.2 × 0.7 mm), welcher von Murata Manufacturing Co., Ltd. 2012 entwickelt worden ist (US 2012/0206239 A1)]. Damit ergeben sich zahlreiche neue Eigenschaften des Systems, insbesondere die Überwachung von fast beliebig komplexen Synthesen oder anderen chemischen Vorgängen in einer Reihe von RGs, die über den Computer einer Prozess-Straße zugeführt werden sowie die daran gekoppelte Analytik für Reinheit und Ausbeute („automatische chemische Microfactory”).

Das System wird durch eine ExKPDM Steuerungs- und Auswertesoftware vervollständigt, die sich u. a. durch natural language processing, eine benutzerfreundliche Oberfläche in einem halboffenen System mit Zugang zu chemischen Datenbanken und ein optimiertes Management von Reaktionsgefäßen des Typs „IntelliEppi” auszeichnet (Siehe 1 und 2).

Besonders hervorzuheben sind die emergenten Eigenschaften, die durch den elektronisch und drahtlos überwachten Reaktionskreislauf entstehen und in der Erfindung erstmals genutzt werden: Eine neue Minifabrik mit einem modularen System, das semiautomatisch läuft, so dass zum einen die Reaktionen und Reaktionsgefäße viel besser gesteuert werden als vorher, aber ein Benutzereingriff dennoch jederzeit möglich ist (Erzielung eines „halboffenen” Systems). Komplexe Synthesen, z. B. Steroide, können besser geplant und überwacht werden. Dies ist von besonderer Relevanz für Benutzer, in der komplexe Synthesen an harte Richtlinien und Qualitätskontrollen gebunden sind und in großem Umfang ablaufen. Dabei können spezifische Laborparameter individuell gewählt. Zudem ist das Reaktionssystem frei skalierbar: Sehr große Gefäße bis zu Fermenter und sehr kleine Gefäße bis zu Nanodimensionen sind denkbar.

Ein derart integriertes IntelliEppi-System (tracking, spezifische PDM software (ExKPDM), emergente Minifabrik als halboffenes System und insbesondere diese Kombination) ist damit erstmals in unserer Erfindung konzipiert worden und damit gänzlich neuartig.

6. Ausführungsbeispiel/Best mode

Zahlreiche Möglichkeiten für das berührungsfreie Messen, die Dimensionen des Reaktionsgefäßes und der elektronischen Überwachung sind denkbar. Hier schildern wir eine Ausführung, die in der täglichen Laborpraxis für übliche Reaktionsgefäßgrößen in der Molekularbiologie besonders gute Ergebnisse erzielt: Das RFID System besteht in dem Ausführungsbeispiel aus einem Chip und der Antenne in einem Gehäuse (RFID-Transponder oder Tag). Zum Auslesen der Daten wird ein Lesegerät bestehend aus einer Antenne und einem Decoder verwendet. Der Transfer von Daten erfolgt über magnetische oder elektromagnetische Felder. Als RFID-Tag wird z. B. ein aktiver (eigene Stromversorgung, Tracking über hohe Distanzen möglich), lesbarer und (wieder-)beschreibbarer HF-Band RFID-Transponder im Mikroformat verwendet, wie er bereits von Murata Manufacturing Co., Ltd. 2012 erfolgreich entwickelt und kommerzialisiert worden ist (US 2012/0206239 A1). Im Fall eines passiven Chips kann ein „mic3-TAG”, ein passiver 13.56 MHz RFID Tag (1 × 1.6 mm) der Microsensys GmbH verwendet werden.

An den aktiven Chip wird bspw. eine pH messende Micro-pH-Elektrode aus Platindraht mechanisch angebracht, wie sie ebenfalls bereits in Laboratorien zum Einsatz kommt. Die von der Mini-pH-Sonde registrierten Daten werden von dem aktiven RFID-Transponder abgerufen und im Mini-Chip des RFID-Tags gespeichert. Die Daten können dann jederzeit mit Hilfe eines herkömmlichen RFID-Lese- und Schreibgerätes ausgelesen werden. Das Lesegerat verschickt diese Daten über einen USB-Anschluss oder WLAN im letzten Schritt an den Computer. Die dort abgelegten Daten fließen in die ExKPDM Software ein.

Als Reaktionsgefäß wird ein herkömmliches Reaktions- oder Pipettiergefäß mit einem Volumen von 0.5, 1.5 oder 2 mL verwendet.

Eine spezifische Ortungssoftware steht ebenfalls zur Verfügung, welche von uns nach unseren Bedürfnissen modifiziert und um die ExKPDM-Module erweitert wurden.

Der Life Cycle eines IntelliEppi-Reaktionsgefäßes ist in 1 zusammengestellt, folgende Komponenten sind daran beteiligt:

Bezugszeichenliste

1
RFID-Sonde mit integrierter Messsonde
2
RFID-Chip – auf das Reaktionsgefäß gedruckt
3
RFID-Chip – in das Reaktionsgefäß bei der Herstellung eingearbeitet
4
Prozesskreislauf (-richtung)
5
Lagermodul
6
Reaktionsmodul
7
Detektionsmodul
8
Minifabrik, halboffenes System (User-Intervention) für komplexe Synthesen
9
ExKPDM inklusive IntelliEppitracking Software

Vor Beginn eines Experiments werden über das User Interface (Siehe 2) mit Hilfe einer Natural Language basierten Datenbankabfrage/Data Search Query (Siehe 2: 9 und 11) in der Database (Siehe 2) des ExKPDM diejenigen Reaktionsgefäße identifiziert, die weiter prozessiert werden sollen. Die Identifizierung kann auch vom Modul für optimales Reaktionsgefäß Management (Siehe 2) anhand von vom Benutzer voreingestellte Instruktionen und Parameter vom ExKPDM selbstständig und automatisch durchgeführt werden. Die korrespondierenden Reaktionsgefäße werden dann im Kühlschrank mit Hilfe des Lesegerätes über den RFID-Tag identifiziert. Im Beispielexperiment einer nested primer polymerase chain reaction werden die Primer in die entsprechenden Reaktionsgefäße pipettiert. Diese „Veränderung des Reaktionssystems” wird unmittelbar manuell (daher auch halboffenes System) über das RFID-Lese- und Schreibgerät auf den Chip des aktiven RFID-Tags gespeichert und später vom Lesegerät über einen USB-Anschluss oder WLAN auf den PC mit installiertem ExKPDM übertragen oder direkt in das ExKPDM am Computer (z. B. über einen handlichen Tablet-PC mit installiertem ExKPDM) erfasst. Anschließend werden die Tubes in den Thermal-Cycler für die PCR gestellt. Tracking mittels RFID ermöglicht es jederzeit die Proben aufzufinden und zu identifizieren. Nach Beendigung des Vorgangs werden die Chips erneut eingescannt und der soeben erfolgreich vollzogene experimentelle Schritt wieder auf den Chip des RFID-Tags zwischengespeichert. Die Gefäße können nun zurück in das Lager gebracht werden. Da es ein halboffenes System ist, können beliebige Änderungen manuell vorgenommen werden, die stets einfach und schnell im Chip des RFID-Tags festgehalten werden. Sollte man bspw. im Fall eines Reaktionsgefäßes die Zugabe von Primern vergessen haben, kann man das leicht über eine Query am ExKPDM feststellen und das entsprechende Reaktionsgefäß identifizieren.

Ablaufschema für die offenbarte proprietäre Reaktionsverwaltungs- und Führungssoftware („Experimental Knowledge and Product Data Management”, ExKPDM) ist im Folgenden detailliert dargestellt (2). Die einzelnen Schritte sind durch Ziffern gekennzeichnet, die Programm-Module durch große Buchstaben (Leiste am oberen Bildrand von 2). Ablauf: Der Benutzer B gibt Instruktionen (1) oder Daten (2) über ein benutzerfreundliches User Interface U in das ExKPDM ein. Alle weiteren Vorgänge laufen ausgehend vom User Interface im Hintergrund, also für den Benutzer nicht direkt nachzuverfolgen, in Programm-Modulen ab. Es gibt die folgenden Module: Optimale Reaktionsgefäßverwaltung O, chemische Wissensdatenbank (chemical knowledge base) C, die Labordatenbank D, das Suchmodul S, sowie das Management des Gesamtarbeitszyklus G (Life Cycle Management). Das Reaktionsgefäß wird von dem Modul O gesteuert (3). Die Daten über das Reaktionsgefäß werden vom Modul „optimales Reaktionsgefäß Management” in die Labordatenbank D gespeichert (4), in der Datenbank verwaltet (5) und hieraus resultierende Ergebnisse wirken über das Modul O auf das Gefäß zurück (4.1.). Das Modul C (Chemical knowledge base) ermöglicht dem Benutzer über das User Interface U eine System-integrierte Suche in chemischen Datenbanken (z. B. ChEMBL Datenbank, proprietäre eigene Drug Point Datenbank) bzw. einer vom Benutzer selbst angelegten Wissensdatenbank durchzuführen und in der Folge entsprechende Experimente zu planen (6). Auch die dort vorgefundenen Daten (7) bzw. die über intelligentes Knowledge engineering des Chemical knowledge base Moduls erzeugten Daten (8) werden ebenfalls in die Database eingespeist. Daten und Resultate werden vom Labordatenmodul D auch entsprechend den vorliegenden Anfragen des Users an die chemical knowledge base C zurückgegeben (7.1). Eine Natural language basierte Datenbankabfrage (9) über das User Interface U ermöglicht es dem User über das entsprechend konzipierte und programmierte Suchmodul S individuell in der Labordatenbank L zu finden (10), wobei Daten von L nach S zurückfließen (10.1). Die berechneten Endergebnisse des Suchmoduls S werden dem User über das User-Interface U vorgeführt (11). Da ein individuelles IntelliEppi-Reaktionsgefäß typischerweise einen endlichen Arbeitszyklus (Life Cycle) oft auch mehrmals durchläuft, können die damit assoziierte Daten live (auf der Grundlage der RFID-Chip-Markierung mit RFID-Lese- und Schreibgerät in Verbindung mit ExKPDM) in der Labordatenbank L abgefragt (12) und werden nach Prozessierung im Modul G (Life Cycle Management) für das Management des Life Cycle eines individuellen IntelliEppis der Labordatenbank L zur Verfügung gestellt (12.1). Das Life Cycle Management Modul versorgt ebenfalls die Chemical knowledge base (13) sowie das optimale Reaktionsgefäß Management Modul (14) mit Ergebnissen und gibt einen Output zum aktuellen Life Cycle von Reaktionsgefäßen an das User interface U (15). Über das User interface U erhält der Benutzer B diesen Output (16) sowie Informationen aus der Labordatenbank L (17), der Chemical Knowledge base C (18) und eine Antwort entsprechend seiner Anforderung (query) über Natural language processing (19).

Weitere Ausgestaltung

  • 1. Das System kommt als ganzheitliches und in die alltäglichen Prozesse integriertes Reaktionsgefäß-, Experiment-, Daten- und Knowledge-Management System in akademischen und industriellen molekularbiologischen Laboratorien zum Einsatz.
  • 2. Von der weiteren Ausgestaltung können vor allem Laboratorien profitieren, in denen im großen Maßstab mit Reagenzgefäßen gearbeitet wird (Molekularbiologie, Pharmakologie, Chemie, Biotechnologie).
  • 3. Anwendungen für unser System ergeben sich unter anderem für komplexe oder auch repetitive Laborversuche, für Hochdurchsatztechnik und für schnelle Synthesen in der Industrie.
  • 4. Als weitere mögliche Einsatzgebiete unserer Erfindung kommen dabei die optimierte Lagerhaltung von Reagenzgefäßen, beispielsweise durch die Herstellung eines elektronischen Datenaustausches zwischen Reagenzgefäßen in einem Laborkühlschrank und Datenbank.
  • 5. Das neue System ermöglicht auch eine Production On Demand, also den sparsameren und damit effizienteren Einsatz von und Umgang mit kostbaren Reagenzien,
  • 6. ein effizienteres Durchführen von Versuchen,
  • 7. bessere Versuchsplanung und ein reibungsloserer Versuchs-Workflow,
  • 8. Schutz von kostbaren oder schutzwürdigen Chemikalien,
  • 9. die allgemeinen Lagerhaltung und Qualitätskontrolle von pH-/pO2-/etc. sensiblen oder allgemein verderblichen oder kontinuierlich zu analysierenden Waren, Lebensmitteln, Produkten, Roh- und Ausgangsstoffen und allen anderen lagerfähigen Gegenständen sowie
  • 10. die Anwendung im Umweltschutz und
  • 11. in der Lehre (Molekularbiologie).

Referenzen

  • Zeeshan, Ahmed, Thomas Dandekar, and Saman Majeed. ”ADAM: Potential of PDM into Clinical Patient Data Management.” Int. J. Emerg. Sci 2.2 (2012): 280–299.
  • Hill, Philip J., Jochen Stritzker, Miriam Scadeng, Ulrike Geissinger, Daniel Haddad, Thomas C. Basse-Lüsebrink, Uwe Gbureck, Peter Jakob, and Aladar A. Szalay. ”Magnetic resonance imaging of tumors colonized with baterial ferritin-expressing Escherichia coli.” PloS one 6, no. 10 (2011): e25409.
  • David Buczek & Associates, Inc. ”Radio frequency identification (RFID) in blood banking and transfusion services.” White Paper (2005): published in: http://www.digi-trax.com/whitepaperfiles/DBA.RFID.BloodBanking.Paper.pdf.
  • Hammond, Paul A., Danish Ali, and David RS Cumming. ”A system-on-chip digital pH meter for use in a wireless diagnostic capsule.” Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 52, no. 4 (2005): 687–694.
  • Johannessen, Erik A., Lei Wang, Li Cui, Tong Boon Tang, Mansour Ahmadian, Alexander Astaras, Stuart WJ Reid et al. ”Implementation of multichannel sensors for remote biomedical measurements in a microsystems format.” Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 51, no. 3 (2004): 525–535.

Zitierte Patente

  • Patent US 2003/0032033 A1 – Watermark systems and methods, 13. Februar 2003.
  • Patent US 2012/8197750 B2 – Laboratory device for processing samples and methods using the same, 12. Juni 2012.
  • Patent EP 1995/0637750 A2 – Verfahren zur Analyse von Probenflüssigkeiten, 08. Februar 1995.
  • WO 2009/068555 A1 – System for automatically identifying, conveying and addressing biological material specimens, 04. Juni 2009.
  • WO 2009/090043 A1 – A method and system to localise and identify at least one of a plurality of test tubes, 23. Juli 2009.
  • US 2007/7275682 B2 – Sample identification utilizing RFID tags, 02. Oktober 2007.
  • US 2003/6593853 B1 – RFID label printing system, 15. Juli 2003.
  • US 2011/8056815 B2 – RFID transponder, 15. November 2011.
  • US 2012/0206239 A1 – RFID system, 16. August 2012.

Beschreibung zu den Figuren

1: Beschreibung der einzelnen Komponenten Lifecycle des Intellieppi

Bezugszeichenliste

1
RFID-Sonde mit integrierter Messsonde
2
RFID-Chip – auf das Reaktionsgefäß gedruckt
3
RFID-Chip – in das Reaktionsgefäß bei der Herstellung eingearbeitet
4
Prozesskreislauf (-richtung)
5
Lagermodul
6
Reaktionsmodul
7
Detektionsmodul
8
Minifabrik, halboffenes System (User-Intervention) für komplexe Synthesen
9
ExKPDM inklusive IntelliEppitracking Software

2: stellt das Ablaufschema für die offenbarte Steuerungs- und Auswertesoftware dar

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 2003/0032033 A1 [0011, 0036]
  • EP 1995/0637750 A2 [0013, 0036]
  • US 2007/7275682 B2 [0014, 0036]
  • WO 2009/090043 A1 [0015, 0036]
  • US 2012/8197750 B2 [0016, 0036]
  • WO 2009/068555 A1 [0017, 0036]
  • US 2011/8056815 B2 [0018, 0036]
  • US 2003/6593853 [0018]
  • US 2012/0206239 A1 [0024, 0028, 0036]
  • US 2003/6593853 B1 [0036]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Zeeshan et al. 2012) [0002]
  • Hill et al. (2011) [0003]
  • Buczek et al. (2005) [0013]
  • Hammond, Ali, et al. (2005) [0022]
  • Johannessen, Lei, et al. (2004) [0022]
  • Hammond, Ali, et al. (2005) [0024]
  • Johannessen, Lei, et al. (2004) [0024]
  • Hill et al. (2011) [0024]