DE102016213000A1 - Handling of liquids using a fluidic module having a plane of fluidity inclined with respect to a plane of rotation - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft weist einen Rotationskörper mit einer Halterung für ein Fluidikmodul auf, wobei der Rotationskörper eine Rotationsachse aufweist, um die der Rotationskörper drehbar ist und die eine Rotationsebene definiert, auf der die Rotationsachse senkrecht steht. Ein Fluidikmodul ist in die Halterung einbringbar oder an der Halterung anbringbar. Fluidikstrukturen sind in einer Fluidikebene in dem Fluidikmodul gebildet. Wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, ist die Fluidikebene um einen Winkel bezüglich der Rotationsebene geneigt ist, und a) verläuft entweder eine von zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen, die die Fluidikebene definieren bezüglich der Rotationsachse radial oder b) schneidet eine durch die Rotationsachse verlaufende Gerade in der Rotationsebene, die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen ist, das Fluidikmodul nicht.A device for handling liquids by utilizing the centrifugal force has a rotary body with a holder for a fluidic module, wherein the rotary body has an axis of rotation about which the rotary body is rotatable and which defines a plane of rotation on which the axis of rotation is perpendicular. A fluidic module can be introduced into the holder or attached to the holder. Fluidic structures are formed in a fluidic plane in the fluidic module. When the fluidic module is inserted into the mount or attached to the mount, the fluidic plane is inclined at an angle to the plane of rotation, and a) extends either one of two mutually perpendicular spatial directions that define the fluidic plane radially or b) with respect to the axis of rotation a plane passing through the axis of rotation straight line in the plane of rotation, which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular directions in space, not the fluidic module.
Description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, und insbesondere solche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen eine Fluidikebene eines Fluidikmoduls bezüglich einer Rotationsebene geneigt ist.Embodiments of the present invention relate to apparatus and methods for handling liquids utilizing centrifugal force, and more particularly to such apparatus and methods in which a fluidic plane of a fluidic module is inclined with respect to a plane of rotation.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf eine zentrifugale Mikrofluidik, die sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen bezieht. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht, Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche, die als Fluidikmodul bezeichnet werden kann, implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Die Kartuschen werden mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik. Die bislang häufigste Ausführung von Kartuschen sind zentrifugal-mikrofluidische Scheiben, die beispielsweise unter den Bezeichnungen „Lab-on-a-disk”, „LabDisk”, „Lab-on-CD” bekannt sind, die in spezielle Prozessiergeräte eingesetzt werden.Embodiments thus relate to a centrifugal microfluidics related to the handling of liquids in the femtoliter to milliliter range in rotating systems. Such systems are mostly polymer disposable cartridges used in or in place of centrifuge rotors with the intention of automating laboratory processes. Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting may be implemented in a microfluidic cartridge, which may be referred to as a fluidic module. For this purpose, the cartridges contain channels for fluid guidance, as well as chambers for collecting liquids. The cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the fluids in the cartridges can be moved by the centrifugal force. Centrifugal microfluidics is mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics. The most common cartridges to date are centrifugal microfluidic discs, known for example as "Lab-on-a-disk", "LabDisk", "Lab-on-CD", which are used in special processing equipment.
Es sind zahlreiche Lösungsansätze bekannt, die eine parallele Handhabung von Flüssigkeiten in mehreren Kartuschen bzw. Fluidikmodulen ermöglichen.There are numerous solutions known that allow parallel handling of liquids in multiple cartridges or fluidic modules.
Aus der
Aus der
Von der Firma „spinX technologies” ist ein sogenannter „gStack” bekannt, der einen Behälter darstellt, in dem mehrere Kartuschen angeordnet sind. Zur Prozessierung von Flüssigkeiten unter Verwendung der Kartuschen kann der gStack in das Gerät zur Analyse eingebracht werden, woraufhin ein Greifer die einzelnen Kartuschen entnimmt und sie in einen Rotor einlegt. In dem Rotor werden die Kartuschen horizontal prozessiert. Während der Prozessierung werden mit einem Laser Löcher als Verbindungen zwischen den mikrofluidischen Strukturen in den Lagen eingebracht, wobei auf diese Weise während der Prozessierung die Flüssigkeiten gesteuert werden können.From the company "spinX technologies" a so-called "gStack" is known, which represents a container in which several cartridges are arranged. To process liquids using the cartridges, the gStack can be placed in the analyzer, whereupon a gripper removes the individual cartridges and inserts them into a rotor. In the rotor, the cartridges are processed horizontally. During the processing, holes are introduced with a laser as connections between the microfluidic structures in the layers, in which way the liquids can be controlled during the processing.
Es besteht ein Bedarf nach Vorrichtungen und Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeiten, bei denen radial innen mehr Platz für fluidische Strukturen zur Verfügung steht und/oder die eine Parallelisierung mit einer erhöhten Integrationsdichte ermöglichen.There is a need for liquid handling apparatuses and methods in which more space is available radially inward for fluidic structures and / or that allows for parallelization with increased integration density.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung decken diesen Bedarf durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.Embodiments of the present invention cover this need by an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 15. Further developments of the invention are set forth in the dependent claims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, mit folgenden Merkmalen: einem Rotationskörper mit einer Halterung für ein Fluidikmodul, wobei der Rotationskörper eine Rotationsachse aufweist, um die der Rotationskörper drehbar ist und die eine Rotationsebene definiert, auf der die Rotationsachse senkrecht steht; einem Fluidikmodul, das in die Halterung einbringbar oder an der Halterung anbringbar ist, in dem die Fluidikstrukturen gebildet sind, wobei eine Erstreckung der Fluidikstrukturen in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen um ein Vielfaches größer ist als eine Erstreckung der Fluidikstrukturen in einer dritten Raumrichtung, die senkrecht zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist, wobei die erste und die zweite Raumrichtung eine Fluidikebene definieren,
wobei, wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel bezüglich der Rotationsebene geneigt ist, und entweder a) eine der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen bezüglich der Rotationsachse radial verläuft oder b) eine durch die Rotationsachse verlaufende Gerade in der Rotationsebene, die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen ist, das Fluidikmodul nicht schneidet.Embodiments of the invention provide a device for handling liquids by utilizing the centrifugal force, comprising: a rotary body with a holder for a fluidic module, wherein the rotary body has an axis of rotation about which the rotary body is rotatable and which defines a plane of rotation on which Rotation axis is vertical; a fluidic module, which can be introduced into the holder or attached to the holder, in which the fluidic structures are formed, wherein an extension the fluidic structures in two mutually perpendicular spatial directions is many times greater than an extension of the fluidic structures in a third spatial direction, which is perpendicular to the first and the second spatial direction, wherein the first and the second spatial direction define a fluidic plane,
wherein, when the fluidic module is inserted into the mount or attached to the mount, the fluidic plane is inclined at an angle to the plane of rotation, and either a) one of the two mutually perpendicular spatial directions is radial with respect to the axis of rotation, or b) one passing through the axis of rotation Especially in the plane of rotation, which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular spatial directions, the fluidic module does not intersect.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung, das das Einbringen einer Flüssigkeit in die Fluidikstrukturen und das Einbringen des Fluidikmoduls in den Rotationskörper oder das Anbringen des Fluidikmoduls an den Rotationskörper, und das Drehen des Rotationskörpers zum Handhaben der Flüssigkeit aufweist.Embodiments provide a method of handling liquids using a corresponding apparatus comprising introducing a liquid into the fluidic structures and inserting the fluidic module into the rotary body or attaching the fluidic module to the rotary body, and rotating the rotary body to handle the liquid.
Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass durch ein Neigen der Fluidikebene relativ zu der Rotationsebene radial innen mehr Raum für die Fluidikebenen zur Verfügung steht. Ferner wurde erkannt, dass es durch eine entsprechende Anordnung eines Fluidikmoduls relativ zu einer Rotationsebene möglich ist, mehrere Fluidikmodule in einer entsprechenden Anordnung mit einer höheren Integrationsdichte auf dem Rotationskörper anzuordnen. Dadurch ermöglichen Ausführungsbeispiele eine gleichzeitige Prozessierung von Flüssigkeiten unter Verwendung einer größeren Anzahl von Fluidikmodulen bei gleichbleibendem Platzbedarf.Embodiments are based on the recognition that by tilting the fluidic plane relative to the plane of rotation radially inside more space is available for the Fluidikebenen. Furthermore, it has been recognized that it is possible by means of a corresponding arrangement of a fluidic module relative to a plane of rotation to arrange a plurality of fluidic modules in a corresponding arrangement with a higher integration density on the rotation body. As a result, embodiments enable a simultaneous processing of liquids using a larger number of fluidic modules with the same space requirement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.In the following description of embodiments of the invention, the same or equivalent elements are provided with the same reference numerals in the figures, so that their description in the different embodiments with each other is interchangeable.
Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sei zunächst daraufhin gewiesen, dass Beispiele der Erfindung insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden können, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich geht. Entsprechend können Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometer-Bereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen.Before embodiments of the invention are explained in more detail, it should firstly be pointed out that examples of the invention can be applied in particular in the field of centrifugal microfluidics, which involves the processing of liquids in the femtoliter to milliliter range. Accordingly, fluidic structures may have suitable dimensions in the micrometer range for handling corresponding volumes of fluid.
Wird hierin der Ausdruck „radial” verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums (also der Rotationsachse), um das der Rotationskörper und somit das Fluidikmodul drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigend bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.When the term "radial" is used herein, it is meant in each case radial with respect to the center of rotation (ie the axis of rotation) about which the rotational body and thus the fluidic module is rotatable. Thus, in the centrifugal field, a radial direction is radially sloping away from the center of rotation and a radial direction toward the center of rotation is radially increasing. A fluid channel, the beginning of which is closer to the center of rotation than the end, is thus radially sloping, while a fluid channel, the beginning of which is farther from the center of rotation than its end, is radially increasing. A channel, which has a radially rising portion, thus has directional components that extend radially inward or radially inward. It is clear that such a channel does not have to run exactly along a radial line, but can run at an angle to the radial line or bent.
Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierin eine Kammer, die solche Abmessungen aufweist, dass ein relevanter Strömungswiderstand in derselben nicht auftritt. As used herein, a fluid channel means a structure whose length dimension is greater from a fluid inlet to a fluid outlet, for example, more than 5 times or more 10 times greater than the dimension defining the flow area define. Thus, a fluid channel has a flow resistance for flowing through it from the fluid inlet to the fluid outlet. In contrast, a fluid chamber herein is a chamber having dimensions such that a relevant flow resistance does not occur in it.
In dem Fluidikmodul sind Fluidikstrukturen
Wie Bezug nehmend auf
Bei alternativen Ausführungsbeispielen verläuft die eine der Raumrichtungen nicht radial, sondern kann versetzt zum Radius angeordnet sein, solange eine in der Rotationsebene durch die Rotationsachse verlaufende Gerade, die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen ist, das Fluidikmodul nicht schneidet. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in
Wie in
Bei Ausführungsbeispielen kann das Fluidikmodul aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Bei Ausführungsbeispielen weist das Fluidikmodul mehrere Schichten auf, wobei die Fluidikstrukturen in einer oder mehreren der Schichten gebildet sein können. Bei Ausführungsbeispielen können die äußeren Schichten Deckelschichten sein, so dass die Fluidikstrukturen geschlossen sind. Eine oder mehrere Einfüllöffnungen oder Auslassöffnungen können in den Deckelschichten vorgesehen sein. Diese können verschließbar sein.In embodiments, the fluidic module may be formed of any suitable material, for example, a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinyl chloride) or PDMS (polydimethylsiloxane), glass or the like. In exemplary embodiments, the fluidic module has a plurality of layers, wherein the fluidic structures in one or more several of the layers can be formed. In embodiments, the outer layers may be lid layers so that the fluidic structures are closed. One or more filling openings or outlet openings may be provided in the cover layers. These can be lockable.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Fluidikmodul die Form einer Platte aufweisen, wobei die Länge und die Breite der Platte um ein Vielfaches größer sind als die Dicke der Platte und wobei die beiden Hauptoberflächen der Platte parallel zu der Fluidikebene sind. Das in den
Bei Ausführungsbeispielen ist, wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel von 90 Grad bezüglich der Rotationsebene geneigt. Die
Allgemein weist bei Ausführungsbeispielen der Rotationskörper mehrere Halterungen zur entsprechenden Einbringung oder Anbringung eines jeweiligen Fluidikmoduls auf, wobei in jede der Halterungen ein entsprechendes Fluidikmodul eingebracht bzw. an derselben angebracht sein kann. Die Halterungen können derart angeordnet sein, dass der Mittenabstand der Halterungen an einem radial inneren Ende derselben in bezüglich der Rotationsachse azimutaler Richtung geringer ist als die Erstreckung der Fluidikmodule in der Fluidikebene. Diesbezüglich sei beispielsweise auf den in
Bei Ausführungsbeispielen ist die Rotationsachse vertikal angeordnet. Bei Ausführungsbeispielen findet eine Prozessierung statt, während das Fluidikmodul (das auch als mikrofluidische Kartusche bezeichnet werden kann, vertikal ausgerichtet ist). Anders ausgedrückt ist eine der zwei Raumrichtungen, die die Fluidikebene definieren, vertikal ausgerichtet. Die Rotationsachse kann dabei innerhalb oder außerhalb des Fluidikmoduls liegen. Bei den in
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist, wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel in einem Bereich von 20 Grad bis 70 Grad bezüglich der Rotationsebene geneigt. Bei Ausführungsbeispielen ist die Fluidikebene um einen Winkel in einem Bereich von 30 Grad bis 60 Grad bezüglich der Rotationsebene geneigt. Beispielsweise zeigt
Bei Ausführungsbeispielen kann die Rotationsachse eine erste Rotationsachse sein, wobei die Halterung ausgebildet ist, um das Fluidikmodul drehbar um eine zweite Rotationsachse, die windschief zu der ersten Rotationsachse ist, zu lagern. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist rein schematisch in
Bezug nehmend auf die
Im Folgenden werden Bezug nehmend auf die
Um eine Probe in das Fluidikmodul
Bei Ausführungsbeispielen weisen die Fluidikstrukturen solche auf, die einen Coriolis-Schalter implementieren. Solche Fluidikstrukturen können einen radial abfallenden Kanal aufweisen, der sich in einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal verzweigt, wobei der erste Kanal hinsichtlich einer Mitte des radial abfallenden Kanals in der dritten Raumrichtung auf einer ersten Seite in den radial abfallenden Kanal mündet und der zweite Kanal hinsichtlich der Mitte des radial abfallenden Kanals in der dritten Raumrichtung auf einer zweiten Seite in den radial abfallenden Kanal mündet. Ein Beispiel für solche Fluidikstrukturen ist in
Schließlich zeigt
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine mikrofluidische Kartusche, wobei die Kartusche mit mikrofluidischen Strukturen versehen ist, und die Fluidikebene gegenüber der Rotationsebene gedreht ist, so dass mehr Fluidikfläche zur Verfügung steht als Fläche in der Rotationsebene beansprucht wird. Unter Fluidikebene kann dabei die Lage der Mehrheit der Mikrokanäle verstanden werden. Mit anderen Worten schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine mikrofluidische Kartusche bzw. ein mikrofluidisches Fluidikmodul, die bzw. das mit mikrofluidischen Strukturen versehen ist, wobei die Fläche der Projektion der Kartusche auf die Fluidikebene größer ist als die Fläche der Projektion auf die zur Rotationsachse senkrecht stehende Rotationsebene. Bei Ausführungsbeispielen nimmt die Kartusche nur bis zu einem Prozentsatz des Umfangs der Rotationsebene ein. Bei Ausführungsbeispielen ist die Fluidikebene um mindestens 30 Grad gegenüber der Rotationsebene geneigt. Ausführungsbeispiele können zur Prozessierung von Proben dienen, sowohl präparativ als auch analytisch. Bei Ausführungsbeispielen können die Fluidikstrukturen eine Mehrzahl von Kanälen aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind.Embodiments of the present invention thus provide a microfluidic cartridge, wherein the cartridge is provided with microfluidic structures, and the fluidic plane is rotated relative to the plane of rotation, so that more fluidic surface is available than surface in the plane of rotation is claimed. Under Fluidikebene can be understood the location of the majority of micro-channels. In other words, embodiments of the invention provide a microfluidic cartridge or a microfluidic fluidic module, which is provided with microfluidic structures, wherein the area of the projection of the cartridge on the fluidic plane is greater than the area of the projection on the rotation plane perpendicular to the rotation axis , In embodiments, the cartridge occupies only up to a percentage of the circumference of the plane of rotation. In embodiments, the fluidic plane is inclined at least 30 degrees with respect to the plane of rotation. Embodiments may be used to process samples, both preparative and analytical. In embodiments, the fluidic structures may include a plurality of channels that are parallel to one another.
Bei Ausführungsbeispielen sind die Fluidikstrukturen für eine vertikale Anordnung des Fluidikmoduls angepasst, gegenüber einer horizontalen Anordnung, wie sie bei bekannten Systemen verwendet wird. Während bei einer horizontalen Prozessierung radiale Kanäle verwendet werden, können bei einer vertikalen Prozessierung insbesondere parallele Kanäle verwendet werden. Bei einer horizontalen Prozessierung sind isoradiale Kanäle gekrümmt, während bei einer vertikalen Prozessierung die Kanäle gerade sein können. Bei einer horizontalen Prozessierung ist die Gravitation typischerweise vernachlässigbar, während bei der vertikalen Prozessierung die Gravitation in großen Kammern genutzt werden kann. Diesbezüglich ist die Gravitation auch bei der horizontalen Prozessierung vorhanden, hat jedoch aufgrund der geringen Dicke der horizontal angeordneten Fluidikmodule keinen erheblichen Einfluss auf die Prozessierung. Der Einfluss der Gravitation nimmt zu, je tiefer die Kammern werden. Somit kann die Gravitation bei der vertikalen Anordnung des Fluidikmoduls in der Fluidikebene genutzt werden, was die Nutzung der Gravitation auch bei sehr dünnen Fluidikmodulen ermöglicht.In embodiments, the fluidic structures are adapted for vertical placement of the fluidic module, as opposed to a horizontal arrangement as used in known systems. While radial channels are used in a horizontal processing, in particular parallel channels can be used in a vertical processing. In horizontal processing, isoradial channels are curved, while in vertical processing the channels can be straight. With horizontal processing, gravity is typically negligible, while in vertical processing gravity can be used in large chambers. In this regard, the gravity is also present in the horizontal processing, but has no significant influence on the processing due to the small thickness of the horizontally arranged fluidic modules. The influence of gravity increases the deeper the chambers become. Thus, the gravity in the vertical arrangement of the fluidic module can be used in the Fluidikebene, which allows the use of gravity even with very thin Fluidikmodulen.
Die Anordnung der Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben ist, weist gegenüber herkömmlichen, horizontalen Systemen zahlreiche Vorteile auf. Bei einer horizontalen Prozessierung stößt die Integration vieler Einheitsoperationen oft an ihre Grenzen, wenn vor allem radial innen liegende Strukturen implementiert werden sollen bzw. müssen. Hier steht plattformbedingt nur wenig Platz zur Verfügung. Radial außen ist zwar ausreichend Platz vorhanden, doch müssen die Flüssigkeiten mit zusätzlichem Platzaufwand und oft unter fluidischen Verlusten wieder nach radial innen gepumpt werden. Durch die Anordnung der Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben ist, kann dieses grundsätzliche Problem der zentrifugalen Fluidik gelöst werden. Durch das Drehen der Fluidikebene steht radial innen mehr Platz für fluidische Strukturen zur Verfügung. Somit kann das Problem des radial inneren Platzmangels gelöst werden. Bei horizontalen Systemen mussten in der Regel Reagenzien aus Platzgründen radial außen vorgelagert und zur Verwendung nach radial innen gepumpt werden. Die hierin beschriebene Vorgehensweise ermöglicht, dass Reagenzien auch radial innen vorgelagert werden, von wo aus sie direkt für Analysen verwendet werden können. Zusätzlich schafft der Wegfall der Pumpstrukturen weiteren Platz auf dem Fluidikmodul bzw. das Fluidikmodul kann kompakter ausgelegt werden.The arrangement of the fluidic modules as described herein has numerous advantages over conventional horizontal systems. In the case of horizontal processing, the integration of many unit operations often reaches its limits when, above all, radially internal structures are or have to be implemented. There is only limited space available due to the platform. Although there is sufficient space on the radial outside, the liquids have to be pumped radially inward again with additional space and often under fluidic losses. By arranging the fluidic modules as described herein, this fundamental problem of centrifugal fluidics can be solved. By turning the Fluidikebene is radially inside more space for fluidic structures available. Thus, the problem of the radially inner space shortage can be solved. For horizontal systems, reagents usually had to be stored radially outward for space reasons and pumped radially inward for use. The procedure described herein also allows reagents to be radially in-advance from where they can be used directly for analysis. In addition, the elimination of the pump structures creates more space on the fluidic module or the fluidic module can be made more compact.
Ein weiteres Problem bei horizontalen Systemen ist die Prozessierung vieler paralleler Reaktionen. Insbesondere ist es bei horizontalen Systemen schwierig, viele Fluidikmodule auf einem Rotationskörper anzuordnen, um beispielsweise viele Proben parallel auf ein oder einige Targets zu untersuchen. Im Gegensatz dazu ermöglichen die Anordnungen der Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben sind, eine hohe Integrationsdichte, was bedeutet, dass viele Fluidikmodule parallel prozessiert werden können.Another problem with horizontal systems is the processing of many parallel reactions. In particular, in horizontal systems, it is difficult to arrange many fluidic modules on a rotating body, for example, to examine many samples in parallel on one or a few targets. In contrast, the arrangements of the fluidic modules as described herein enable a high density of integration, meaning that many fluidic modules can be processed in parallel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit, durch die Drehung der Fluidikebene aus der Rotationsebene beide genannten Schwächen horizontaler Systeme zu beheben. Die Drehung um den Radius des Rotationskörpers erhöht die Integrationsdichte, so dass eine größere Anzahl von Fluidikmodulen parallel prozessiert werden kann. Weiterhin steht durch die Drehung radial innen mehr Platz für fluidische Einheitsoperationen zur Verfügung.Embodiments of the invention thus make it possible to eliminate both said weaknesses of horizontal systems by the rotation of the fluidic plane out of the plane of rotation. The rotation about the radius of the rotation body increases the integration density, so that a larger number of fluidic modules can be processed in parallel. Furthermore, there is more room for fluidic unit operations due to the rotation radially inward.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen diese Vorteile ohne komplexe Strukturen, wie beispielsweise Ausschwingrotoren. Durch das Drehen der Fluidikebene in Ausschwingrotoren wird der Zentrifugaldruck in den Strukturen verringert bis aufgehoben, wodurch der Antrieb der Flüssigkeiten vermindert bis entfernt wird. Komplexere Analysen lassen sich in einem solchen System nicht integrieren. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Fluidikmodule fest in die Halterung eingebracht bzw. an der Halterung angebracht, so dass solche Probleme nicht auftreten. Ferner benötigt eine Ausschwinghalterung viel Platz, was eine hohe Integrationsdichte verhindert. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele kommen ohne eine komplexe interne Mechanik aus, wie sie beispielsweise bei Systemen verwendet wird, bei denen Röhrchen parallel in einem Ausschwingrotor platziert und prozessiert werden.Embodiments of the invention provide these advantages without complex structures, such as swing-out rotors. Turning the fluidic plane in swing-bucket rotors reduces or eliminates the centrifugal pressure in the structures, thereby reducing or eliminating fluid drive. More complex analyzes can not be integrated in such a system. In embodiments of the invention, the fluidic modules are firmly inserted into the holder or attached to the holder, so that such problems do not occur. Furthermore, a swing-out bracket requires a lot of space, which prevents a high integration density. Embodiments described herein do not require a complex internal mechanism, such as is used in systems where tubes are placed and processed in parallel in a swing-bucket rotor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum kontrollierten Prozessieren von Flüssigkeiten, die eine hohe Integrationsdichte ermöglichen, was bedeutet, dass viele Fluidikmodule parallel prozessierbar sind, wobei radial innen mehr Platz zur Verfügung steht als dies bei bekannten Systemen der Fall ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, wobei die Fluidikebene gegenüber der Rotationsebene gedreht ist und die Rotationsachse innerhalb des Fluidikmoduls oder außerhalb des Fluidikmoduls liegen kann. Das Drehen der Fluidikebene gegenüber der Rotationsebene eröffnet zahlreiche Vorteile, beispielsweise eine Prozessierung senkrecht oder geneigt zur Rotationsebene, ein Überlappen einzelner Fluidikmodule vor allem radial innen, wodurch ein dichteres Packen ermöglicht wird. Auf diese Weise kann ein hoher Parallelisierungsgrad erreicht werden. Radial innen steht mehr Platz für fluidische Strukturen oder für die Vorlagerung von Reagenzien zur Verfügung. Ferner kann bei Ausführungsbeispielen insbesondere in großen Fluidkammern die Gravitation zur Aktuierung genutzt werden, beispielsweise zum Transport, zum Mischen oder zum Bewegen von Flüssigkeiten. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Fluidikmodul eine Größe aufweisen, die im Wesentlichen der einer Kreditkarte entspricht, ca. 75 × 40 × 4 mm2. Derartige Fluidikmodule (Kartuschen) können in einem entsprechenden Halter parallel in einer Zentrifuge oder einem spezialisierten Prozessierungsgerät verwendet werden. In den Halter integrierte Heizelemente können eine lokale Temperierung einzelner Strukturen in dem Fluidikmodul ermöglichen.Embodiments of the invention thus provide fluidic modules, devices, and methods for the controlled processing of liquids that enable high integration density, meaning that many fluidic modules are parallel processable, with more space available radially inward than is the case with known systems. Embodiments of the invention provide a fluidic module which is rotatable about a center of rotation, wherein the fluidic plane is rotated relative to the plane of rotation and the axis of rotation may be within the fluidic module or outside the fluidic module. The rotation of the fluidic plane with respect to the plane of rotation opens up numerous advantages, for example a processing perpendicular or inclined to the plane of rotation, overlapping of individual fluidic modules, especially radially inward, whereby a denser packing is made possible. In this way, a high degree of parallelization can be achieved. Radially inside there is more space for fluidic Structures or for the pre-storage of reagents available. Furthermore, in embodiments, in particular in large fluid chambers, the gravitation can be used for actuation, for example for transport, for mixing or for moving liquids. In embodiments of the invention, the fluidic module may have a size substantially similar to that of a credit card, approximately 75 x 40 x 4 mm 2 . Such fluidic modules (cartridges) may be used in a corresponding holder in parallel in a centrifuge or specialized processing apparatus. In the holder integrated heating elements can allow a local temperature of individual structures in the fluidic module.
Weiterhin kann eine optische Detektion (beispielsweise Fluoreszenzdetektion) über im Rotationskörper vorgesehene Spiegel oder Lichtleiter realisiert werden.Furthermore, an optical detection (for example fluorescence detection) can be realized by means of mirrors or light guides provided in the rotation body.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können insbesondere dort Anwendung finden, wo mehrere Prozesse parallel ausgeführt werden sollen. Beispielsweise können bei Ausführungsbeispielen die Vorrichtung und das Verfahren ausgelegt sein, um eine digitale Amplifikation durchzuführen. Bei einer digitalen Amplifikation wird eine Vielzahl von Tröpfchen erzeugt, indem diese an einer Mündung eines Kanal in eine Fluidkammer abreißen. In den Tröpfchen kann dann eine Bioreaktion zum Nachweis von DNA stattfinden.Embodiments of the invention may find particular application where several processes are to be executed in parallel. For example, in embodiments, the apparatus and method may be configured to perform digital amplification. In a digital amplification, a plurality of droplets are generated by tearing off at a mouth of a channel in a fluid chamber. A bioreaction to detect DNA can then take place in the droplets.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it should be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method such that a block or device of a device is also to be understood as a corresponding method step or feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to those skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
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