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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Manipulation einer Flüssigkeit
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 15.
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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit mikrofluidischen Systemen bzw. Vorrichtungen. Die nachfolgenden
Ausführungen
beziehen sich auf Vorrichtungen, bei denen Kapillarkräfte wirken
und insbesondere für
die Funktion entscheidend sind.
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Um
Flüssigkeiten
zeitlich gesteuert von einem Ort zu einem nächsten zu bewegen, sind sogenannte
Kapillarstops bekannt, beispielsweise wie in der
EP 1 441 131 A1 offenbart.
Hierbei wird die Flüssigkeit
in einem Kanal oder in einer breiten Kammer aufgrund einer sprungartigen
Erhöhung
der Kapillarkraft temporär
angehalten. Beispielsweise kann der Kapillarstop durch einen quer
verlaufenden, insbesondere grabenartigen Steuerkanal gebildet sein. Wenn
der Steuerkanal geflutet wird, beispielsweise durch eine Steuerflüssigkeit
oder durch die Flüssigkeit
selbst, kann die Flüssigkeit
den Kapillarstop überwinden.
Kritisch ist hierbei die zeitliche und/oder örtliche Genauigkeit. Wenn keine
Verjüngung
des Kanalquerschnitts im Bereich des Kapillarstops erfolgt, ist
ein zeitlich definiertes Starten der Flüssigkeit über den gesamten Kanalquerschnitt
nur sehr schwierig oder gar nicht zu erreichen. Wenn der Kanal im
Bereich des Kapillarstops verjüngt
ist, um eine bessere zeitliche Steuerung bzw. Auflösung zu
erhalten, wird die zuvor breitere Flüssigkeitsfront verengt und
anschließend
oftmals wieder aufgeweitet, wobei aufgrund von Difusionsvorgängen die
Ortsauflösung der
Untersuchung wesentlich beeinträchtigt
werden kann. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, den Steuerkanal
schnell und zeitlich genau gesteuert zu fluten.
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Aus
der
EP 1 419 818 A1 ist
es bekannt, eine Flüssigkeit
mit Hilfe der sogenannten selektiven Entlüftung zeitlich zu steuern,
insbesondere temporär anzuhalten.
Dies erfolgt, indem die Luftverdrängung in dem zu flutenden Kanal
unterbunden wird. Ein Öffnen
der Entlüftung
läßt die Flüssigkeit
weiter laufen. Problematisch ist hier der apparative Aufwand. Des weiteren
ergeben sich hierbei die gleichen Probleme hinsichtlich der zeitlichen
und/oder örtlichen
Auflösung
wie beim vorgenannten Kapillarstop mit einem Steuerkanal.
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Darüber hinaus
sind auch externe Trigger, wie elektrische und/oder magnetische
Felder, Schallwellen oder Druckwellen bekannt, um eine Flüssigkeit
temporär
anzuhalten bzw. den Flüssigkeitstransport
zu starten. Hierbei sind der apparative Aufwand und damit die Kosten
sehr hoch.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Manipulation einer Flüssigkeit anzugeben, die ein temporäres Anhalten
der Flüssigkeit
in einem insbesondere breiten Kanal ermöglichen, wobei ein Weiterströmen mit
insbesondere gerader Flüssigkeitsfront
bei vergleichsweise geringem Aufwand und genauer zeitlicher Steuerung
ermöglicht
wird.
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Die
obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren
gemäß Anspruch
15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen
Kapillarstop zwischen einem ersten Kanalabschnitt und einem zweiten
Kanalabschnitt dadurch zu überbrücken bzw.
aufzuheben, daß die
beiden Kanalabschnitte relativ zueinander bewegt, insbesondere miteinander
in Kontakt gebracht werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,
daß die
beiden Kanalabschnitte zusammengeschoben werden.
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Die
vorschlagsgemäße Lösung ermöglicht gerade
auch bei großen
Kanalquerschnitten ein gleichmäßiges Starten
der Flüssigkeit,
also einen über
die gesamte Flüssigkeitsfront
gleichmäßigen Übertritt
der Flüssigkeit
vom ersten Kanalabschnitt in den zweiten Kanalabschnitt. Die Flüssigkeit
kann insbesondere über
den gesamten Kanalquerschnitt gleichzeitig starten. Entsprechend
ist eine zeitlich genaue Steuerung möglich. Des weiteren können eine zumindest
im wesentlichen geradlinige Flüssigkeitsfront
und insbesondere eine gleichmäßige, laminare Strömung vorzugsweise über den
gesamten Kanalquerschnitt auch beim Weiterströmen vom ersten Kanalabschnitt
in den zweiten Kanalabschnitt beibehalten werden, so daß neben
einer zeitlichen Auflösung auch
eine gute örtliche
Auflösung
ermöglicht
wird. Dies ist gerade für
Analysen – also
insbesondere bei der Untersuchung der Flüssigkeit bzw. zur Detektion darin
enthaltender Analyte oder Reaktionsstoffe – wünschenswert.
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Bei
der vorliegenden Erfindung weisen die Kanalabschnitte und damit
der davon gebildete Kanal vorzugsweise einen relativ großen Querschnitt auf.
Insbesondere sind diese breit bzw. kammerartig ausgebildet. Zur
Vereinfachung der Beschreibung wird nachfolgend oft nur von dem
Kanal bzw. den Kanalabschnitten gesprochen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus den Ansprüchen
und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
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1 einen
schematischen Längsschnitt
einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer ersten
Ausführungsform;
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2 eine
schematische Draufsicht der Vorrichtung gemäß 1 ohne Abdeckung;
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3 einen
Schnitt der Vorrichtung entlang Linie III-III gemäß 1;
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4 schematische Längsschnitte einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
mit getrennten Kanalabschnitten und zusammengeschobenen Kanalabschnitten;
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5 einen
schematischen Längsschnitt
einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer dritten
Ausführungsform
mit zusammengeschobenen Kanalabschnitten;
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6 schematische Draufsichten einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
vierten Ausführungsform;
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7 schematische Draufsichten einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
fünften Ausführungsform:
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8 eine
schematische Draufsicht einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung gemäß einer
sechsten Ausführungsform:
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9 einen
schematischen Längsschnitt
eines Teils einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
siebten Ausführungsform
mit getrennten Kanalabschnitten;
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10 eine
zu 9 korrespondierende Darstellung der Vorrichtung
mit zusammengeschobenen Kanalabschnitten;
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11 eine
schematische Draufsicht eines Teils einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
achten Ausführungsform
mit getrennten Kanalabschnitten; und
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12 eine
zu 11 korrespondierende Darstellung der Vorrichtung
mit zusammengeklappten Kanalabschnitten.
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In
den Figuren werden für
gleiche oder ähnliche
Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder
vergleichbare Eigenschaften und Vorteile erreicht werden, auch wenn
eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist. Die 1 bis 12 zeigen
vorschlagsgemäße Vorrichtungen 1 in nicht
maßstabsgerechten
Darstellungen zur Verdeutlichung verschiedener Aspekte und Erleichterung
der Beschreibung.
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1 zeigt
in einem schematischen Längsschnitt
eine erste Ausführungsform
einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 zur
Manipulation einer Flüssigkeit 2,
insbesondere einer Probenflüssigkeit,
beispielsweise für
chemische und/oder biologische Untersuchungen, insbesondere zum
Nachweis eines Analyten durch ein Reagenz, einen Antikörper oder dgl.
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Die
Vorrichtung 1 weist einen ersten Kanalabschnitt 3 und
einen zweiten Kanalabschnitt 4 für die Flüssigkeit 2 auf. Die
Flüssigkeit 2 wird
insbesondere ausschließlich
durch Kapillarkräfte
von den Kanalabschnitten 3, 4 aufgenommen und/oder
gefördert.
Jedoch können
auch sonstige Kräfte,
wie Druckkräfte,
Zentrifugalkräfte
oder dgl., wirken.
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Beim
Darstellungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 einen ersten
Trägerabschnitt 5 und
einen zweiten Trägerabschnitt 6 sowie
vorzugsweise eine zugeordnete Abdeckung 7 auf. Die Abdeckung 7 ist vorzugsweise
durchgehend ausgebildet und beispielsweise durch Folie oder dgl.
gebildet.
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Zwischen
dem ersten Trägerabschnitt 5 und der
Abdeckung 7 ist der erste Kanalabschnitt 3 gebildet.
Zwischen dem zweiten Trägerabschnitt 6 und der
Abdeckung 7 ist der zweite Kanalabschnitt 4 gebildet.
Der von den Kanalabschnitten 3, 4 gebildete Kanal
ist vorzugsweise also von nur zwei gegenüberliegenden, insbesondere
im wesentlichen ebenen Flächen
bzw. Flachseiten begrenzt bzw. gebildet, insbesondere seitenwandfrei
ausgeführt.
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Insbesondere
sind die Kanalabschnitte 3, 4 derart ausgebildet,
daß die
Flüssigkeit 2 in
Strömungsrichtung
S zumindest im wesentlichen laminar über die vorzugsweise ebenen,
von den Trägerabschnitten 5, 6 gebildeten
Flachseiten und/oder mit zumindest im wesentlichen geradliniger
Flüssigkeitsfront
quer zur Strömungsrichtung
S strömt.
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Beim
Darstellungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 einen Träger 8 zur
Bildung und/oder Halterung der erforderlichen Mikrostrukturen, insbesondere
der Trägerabschnitte 5, 6,
auf. Der Träger 8 und
insbesondere die Trägerabschnitte 5, 6 sind
vorzugsweise im wesentlichen eben bzw. plattenartig ausgebildet und
ggf. mit erforderlichen Ausnehmungen, Kanälen oder dgl. versehen. Die
Abdeckung 7 ist beim Darstellungsbeispiel eben und vorzugsweise
zumindest im wesentlichen ausnehmungsfrei ausgebildet. Jedoch kann
dies auch umgekehrt sein. Bedarfsweise können sowohl der Träger 8 als
auch die Ausnehmung 7 ausgenommen und/oder mit Vorsprüngen zur
Bildung gewünschter
Strukturen und ggf. zur Aufnahme von nicht dargestellten Chemikalien,
Reagenzien, Untersuchungseinrichtungen oder dgl. ausgebildet sein.
Insbesondere handelt es sich bei der Vorrichtung 1 um einen
sogenannten Mikrochip (Plattform mit Mikrostruktur).
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2 zeigt
die Vorrichtung 1 in einer Draufsicht ohne die Abdeckung 7. 3 zeigt
die Vorrichtung 1 in einem Schnitt entlang Linie III-III
von 1.
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Beim
Darstellungsbeispiel gemäß 1 bis 3 sind
die Abdeckung 7 und der Träger 8 nicht einstückig ausgebildet.
Vielmehr ist die Abdeckung 7 vorzugsweise aufgelegt, aufgeklemmt,
aufgeklebt, verschweißt
oder in sonstiger geeigneter Weise mit dem Träger 8 verbunden. Dies
erleichtert beispielsweise die Herstellung. Jedoch können gemäß einer nicht
dargestellten Ausführungsvariante
die Abdeckung 7 und der Träger 8 auch einstückig ausgebildet sein.
In diesem Fall sind dann mindestens ein Trägerabschnitt 5, 6 und
insbesondere beide Trägerabschnitte 5 und 6 seitlich
in das einstückige
Bauteil eingeschoben. Die Vorrichtung 1 ist dann entsprechend
seitlich offen zur Aufnahme des ersten und/oder zweiten Trägerabschnitts 5, 6 ausgebildet.
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Die
Kanalabschnitte 3 und 4 – nachfolgend teilweise auch
nur der "Kanal" genannt – weisen
vorzugsweise einen flachen und/oder recheckigen Querschnitt quer
zur in 1 und 3 angedeuteten Strömungsrichtung
S der Flüssigkeit 2 auf.
Die Höhe
des Kanals – also
der Abstand der den Kanal begrenzenden, vorzugsweise parallelen
Flächen – beträgt beim
Darstellungsbeispiel maximal 2000 μm, vorzugsweise höchstens
500 μm,
insbesondere etwa 50 bis 200 μm.
Die Breite des Kanals beträgt
vorzugsweise etwa 100 bis 5000 μm,
insbesondere etwa 200 bis 4000 μm.
Die Höhe
des Kanals ist wesentlich geringer, insbesondere mindestens um den
Faktor 10 oder 100, als die Breite des Kanals. Das Aufnahmevolumen
des Kanals beträgt
vorzugsweise weniger als 1 ml, insbesondere weniger als 100 μl, besonders
bevorzugt maximal 10 μl.
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Die
Vorrichtung 1 bildet also ein mikrofluidisches System.
Insbesondere dient die Vorrichtung 1 der mikrofluidischen
Diagnostik für
medizinische oder nicht-medizinische Zwecke bzw. sonstige Untersuchungen.
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Der
Kanal und dessen Haupterstreckungsebene E verlaufen in Gebrauchslage
vorzugsweise zumindest im wesentlichen horizontal. Je nach Verwendungszweck
oder konstruktiver Lösung
ist jedoch auch eine andere Ausrichtung möglich, zumal die Aufnahme bzw.
das Füllen
des Kanals mit der Flüssigkeit 2 und/oder
das Fördern
der Flüssigkeit 2 im
Kanal vorzugsweise zumindest primär durch Kapillarkräfte bestimmt
bzw. bewirkt wird.
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Die
Haupterstreckungsebenen der Kanalabschnitte 3, 4 liegen
beim Darstellungsbeispiel zumindest im wesentlichen in der gemeinsamen
Ebene E, wie in
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1 angedeutet.
Die Ober- bzw. Flachseite der Trägerabschnitte 5, 6 verlaufen
vorzugsweise parallel zu der Ebene E.
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Die
Vorrichtung 1 weist vorschlagsgemäß eine Einrichtung zum temporären Anhalten
der Flüssigkeit 2 auf.
Diese Einrichtung ist durch einen Kapillarstop 9 gebildet.
Der Kapillarstop 9 sorgt für ein zumindest temporäres Anhalten
der Flüssigkeit 2 vor dem Übertritt
vom ersten Kanalabschnitt 3 zum zweiten Kanalabschnitt 4 und
ist vorzugsweise am Ende des ersten Kanalabschnitts 3 bzw.
zwischen den beiden Kanalabschnitten 3, 4 angeordnet.
Der Kapillarstop 9. Dies wird durch eine entsprechend scharfe Kante
an dem in Strömungsrichtung
S stromabwärts liegenden
Ende des ersten Kanalabschnitts 3 bzw. Trägerabschnitts 5 und/oder
eine sonstige, insbesondere sprunghafte Querschnittsvergrößerung erreicht, wodurch
die Kapillarkräfte
ein Weiterströmen
der Flüssigkeit 2 in
den zweiten Kanalabschnitt 4 nicht gestatten. Insbesondere
ist der Kapillarstop 9 durch eine grabenartige Ausnehmung
oder eine entsprechende Beabstandung der beiden Kanalabschnitte 3, 4 bzw.
Trägerabschnitte 5, 6 gebildet.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Kapillarstop 9 quer über die gesamte Breite zumindest
einer den Kanal begrenzenden Flachseite, vorzugsweise zwischen den
beiden Trägerabschnitten 5, 6.
Der Kapillarstop 9 erstreckt sich vorzugsweise also quer
zur Strömungsrichtung
S der Flüssigkeit 2 und/oder
quer Längserstreckung
des ersten oder zweiten Kanalabschnitts 3, 4.
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1 bis 3 zeigen
die Vorrichtung 1 in einem Zustand, bei dem zwischen den
beiden Kanalabschnitten 3 und 4 der Kapillarstop 9 gebildet
ist, insbesondere dadurch, daß die
beiden Trägerabschnitte 5, 6 beabstandet
sind. Dadurch wird die im ersten Kanalabschnitt 3 bzw.
auf den ersten Trägerabschnitt 5 befindliche
Flüssigkeit 2 temporär angehalten.
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Vorschlagsgemäß ist vorgesehen,
daß die beiden
Kanalabschnitte 3, 4 zur Überbrückung oder Aufhebung des Kapillarstops 9 relativ
zueinander bewegbar, insbesondere mit einander in Kontakt bzw. Anlage
bringbar sind. Hierzu sind die Kanalabschnitte 3, 4 und
insbesondere die Trägerabschnitte 5, 6 translatorisch
und/oder rotatorisch relativ zueinander bewegbar, vorzugsweise relativ
zueinander verschiebbar, verformbar, klappbar und/oder knickbar.
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Beim
Darstellungsbeispiel sind die beiden Trägerabschnitte 5, 6 relativ
zueinander verschiebbar geführt,
insbesondere mittels einer in 1 und 3 angedeuteten
Führungseinrichtung 10.
Die Führungseinrichtung 10 gestattet
ein Verschieben mindestens eines Trägerabschnitts 5 oder 6.
Der entsprechende Trägerabschnitt 5, 6 oder
beide Trägerabschnitte 5, 6 ist
bzw. sind beispielsweise schlittenartig ausgebildet und in entsprechenden,
vorzugsweise nutartigen und/oder im Träger 8 gebildeten Führungsabschnitten
der Führungseinrichtungen 10 verschiebbar
geführt.
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Die
Richtung zur Bewegung der beiden Kanalabschnitte 3, 4 bzw.
Trägerabschnitte 5, 6 relativ zueinander
verläuft
vorzugsweise in die oder entgegen der Strömungsrichtung S der Flüssigkeit 2 und/oder
in Längserstreckung
bzw. in der Haupterstreckungsebene E der Kanalabschnitte 3, 4 bzw. Trägerabschnitte 5, 6.
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Die
beiden Kanalabschnitte 3, 4 bzw. Trägerabschnitte 5, 6 sind
bedarfsweise manuell relativ zueinander bewegbar, insbesondere miteinander
in Kontakt bringbar. Dies ermöglicht
einen einfachen und kostengünstigen
Aufbau. Vorzugsweise weist die Vorrichtung 1 eine geeignete,
nicht dargestellte Manipulationseinrichtung oder dgl. auf.
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Alternativ
oder zusätzlich
weist die Vorrichtung 1 vorzugsweise einen nicht dargestellten
Stellantrieb oder sonstigen Antrieb, wie einen Motor, einen Elektromagneten,
einen piezoeletrischen Aktuator oder dgl. auf, um die Kanalabschnitte 3, 4 bzw.
die Trägerabschnitte 5, 6 zur
Aufhebung oder Überbrückung des
Kapillarstops 9 relativ zueinander zu bewegen, insbesondere
miteinander in Kontakt zu bringen. Der Antrieb kann – je nach
Bedarf – rein
mechanisch oder elektrisch, elektromagnetisch, magnetisch, pneumatisch
und/oder hydraulisch arbeiten.
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Die
beiden Trägerabschnitte 5 und 6 können mittels
einer nicht dargestellten Feder oder einer sonstigen Vorspanneinrichtung
derart voneinander weg vorgespannt sein, daß ein ungewolltes Zusammenführen der
Trägerabschnitte 5 und 6 ausgeschlossen
ist. Beim beispielsweise manuellen Betätigen oder Aktivieren des entsprechenden
(nicht dargestellten) Antriebs kann dann die Vor spannkraft überwunden
und das gewünschte
Zusammenführen der
Kanalabschnitte 3, 4 bzw. der Trägerabschnitte 5, 6 erfolgen.
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Beim
Darstellungsbeispiel treffen die beiden Trägerabschnitte 5, 6 im
zusammengeschobenen (nicht dargestellten) Zustand mit ihren Querseiten oder
zumindest ihren dem Kanal zugewandten Querkanten 11, 12 aufeinander,
so daß in
diesem zusammengeschobenen Zustand eine zumindest im wesentlichen
durchgehende Fläche
von den beiden Ober- bzw. Flachseiten der Trägerabschnitte 5, 6 gebildet
wird. So wird der Kapillarstop 9 vorzugsweise über den
gesamten Kanalquerschnitt gleichzeitig aufgehoben bzw. überbrückt, und
die Flüssigkeit 2 kann aus
dem ersten, vom ersten Trägerabschnitt 5 gebildeten
Kanalabschnitt 3 in den zweiten, vom zweiten Trägerabschnitt 6 gebildeten
Kanalabschnitt 4 strömen.
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Wie
bereits erläutert,
erfolgt das Strömen bzw.
Fördern
der Flüssigkeit 2 vorzugsweise
ausschließlich
durch Kapillarkraft. Um den gewünschten Übertritt
der Flüssigkeit 2 vom
ersten Kanalabschnitt 3 in den zweiten Kanalabschnitt 4 bei
aufgehobenem bzw. überbrücktem Kapillarstop 9 – also insbesondere
bei zusammengeschobenen Trägerabschnitten 5, 6 – zu erreichen,
ist die auf die Flüssigkeit 2 wirkende Kapillarkraft
im zweiten Kanalabschnitt 4 vorzugsweise größer im ersten
Kanalabschnitt 3. Diese höhere Kapillarität kann durch
eine entsprechende Modifizierung des zweiten Trägerabschnitts 6 erreicht
werden, beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung, Verringerung
des Abstands zur Abdeckung 7 und/oder – wie beim Darstellungsbeispiel
angedeutet – durch
entsprechende Mikrostrukturen 13, insbesondere Erhebungen
oder dgl., auf dem zweiten Trägerabschnitt 6.
Beispielsweise sind die Mikrostrukturen 13 mit einer größeren oder
zunehmenden Dichte auf dem zweiten Trägerabschnitt 6 im
Gegensatz zum ersten Trägerabschnitt 5 angeordnet,
um den gewünschten
Anstieg der Kapillarkraft zum zweiten Kanalabschnitt 4 bzw.
Trägerabschnitt 6 hin
zu erzielen.
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Der
zweite Kanalabschnitt 4 stellt beim Darstellungsbeispiel
eine Verlängerung
oder eine Fortsetzung des ersten Kanalabschnitts 3 dar.
Insbesondere bilden die Kanalabschnitte 3 und 4 einen
quasi durchgehenden, insbesondere geradlinigen Kanal mit vorzugsweise
im wesentlichen konstantem Querschnitt. Vorzugsweise entspricht
der Querschnitt des ersten Kanalabschnitts 3 unmit telbar
vor dem Kapillarstop 9 zumindest im wesentlichen dem Querschnitt
des zweiten Kanalabschnitts 4 unmittelbar nach dem Kapillarstop 9.
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Beim
Darstellungsbeispiel weist der von den Kanalabschnitten 3, 4 gebildete
Kanal vorzugsweise einen im wesentlichen konstanten Querschnitt
auf. Jedoch ist es gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsvariante
auch möglich,
den Kanalquerschnitt im Bereich des Kapillarstops 9 zu
verengen. Diese Querschnittsverringerung wird vorzugsweise durch
gleichmäßige Verjüngung des
Flüssigkeitsstroms
und anschließende
Aufspreizung des Flüssigkeitsstroms
erreicht.
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Die
Vorrichtung 1 weist vorzugsweise ein Mittel zum Verhindern
des seitlichen Vorschießens von
Flüssigkeit 2 in
Strömungsrichtung
S und/oder zur Erzeugung einer möglichst
wenig gekrümmten oder
geradlinigen Strömungsfront
bzw. zur Erzeugung einer homogenen bzw. laminaren Strömung auf Seitlich
an die Kanalabschnitte 3, 4 schließt sich
ein Flüssigkeitsstop
an, der insbesondere durch eine nut- bzw. grabenartige Ausnehmung 14 im
Träger 8 gebildet
ist. Der seitliche Flüssigkeitsstop
für die Flüssigkeit 2 stellt
ein durch Kapillarkräfte
nicht überwindbares
Strömungshindernis
dar, so daß die
Flüssigkeit 2 seitenwandfrei
entlang der offenen Längsseiten
der Kanalabschnitte 3, 4 geführt ist.
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Die
den Flüssigkeitsstop
bildende Ausnehmung 14 schließt sich vorzugsweise scharfkantig
an die Kanalabschnitte 3, 4 an und ist insbesondere
im Träger 8 gebildet,
erstreckt sich bei den Darstellungen gemäß 1 und 3 also
im wesentlichen nur nach unten bezüglich einer seitlichen Projektion des
Kanals. Die Ausnehmung kann sich jedoch wahlweise auch nach oben
oder auf beide Seiten der seitlichen Projektion des Kanals, also
insbesondere nach oben und nach unten, erstrecken.
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Die
im Querschnitt vorzugsweise rechteckige Ausnehmung 14 führt zu einer
derartigen, insbesondere stufigen bzw. plötzlichen Querschnittsvergrößerung,
wie dies auch beim Kapillarstop 9 der Fall ist, daß sich die
Kapillarkräfte
derartig verringern, daß der
genannte Flüssigkeitsstop
für die
Flüssigkeit 2 im Übergang
vom Kanal zur Ausnehmung 14 hin gebildet wird. Insbesondere
ist die Höhe
der Ausnehmung 14 zumindestens doppelt so groß wie die
Höhe des
Kanals.
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Die
Ausnehmung 14 und der davon gebildete Flüssigkeitsstop
erstrecken sich beim Darstellungsbeispiel vorzugsweise entlang der
offenen Längsseite
des Kanals, insbesondere um die Kanalabschnitte 3, 4 bzw.
die Trägerabschnitte 5, 6 allseitig
herum.
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Eine
entsprechende seitenwandlose Führung
der Flüssigkeit 2 im
Kanal ist auch bei der in 4a und 4b dargestellten,
zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung 1 durch die seitliche Ausnehmung 14 bzw.
den seitlichen Flüssigkeitsstop möglich.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
wird die Flüssigkeit 2 vorzugsweise
nur auf einer Boden- bzw. Flachseite – also auf dem ersten Trägerabschnitt 5 oder
den beiden Trägerabschnitten 5, 6 – geführt. Die Flüssigkeit 2 steht
also nicht in Kontakt mit der gegenüberliegenden, von der Abdeckung 7 gebildeten Flachseite.
Statt dessen ist beim Darstellungsbeispiel die Abdeckung 7 entsprechend
höher angeordnet
oder ggf. ausgenommen, um den gewünschten Abstand zu erhalten. 4a zeigt
die Vorrichtung 1 mit (noch) getrennten Kanalabschnitten 3 und 4, 4b mit
zusammengeschobenen Kanalabschnitten 3 und 4.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
kann sich die Flüssigkeit 2 im
zusammengeschobenen Zustand – also
bei verbundenen Kanalabschnitten 3, 4 – zumindest
im wesentlichen gleichmäßig über die
Kanalabschnitte 3 und 4 verteilen, wie in 4b angedeutet.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn zumindest im wesentlichen
gleiche Kapillarkräfte über die gesamte
Länge des
Kanals wirken und wenn nicht eine gleichzeitige Führung zwischen
der Abdekkung 7 und den Trägerabschnitten 5, 6 erfolgt.
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Die
Dicke des von der Flüssigkeit 2 gebildeten
Flüssigkeitsfilms
hängt insbesondere
vom Benetzungsverhalten und von der zugeführten, dann insbesondere zudosierten
Menge an Flüssigkeit 2 ab. Vorzugsweise
gelten für
den Flüssigkeitsfilm
die entsprechenden Dimensionen wie bei der ersten Ausführungsform
für den
Kanal erläutert.
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Die
in 4 dargestellte zweite Ausführungsform
ist ansonsten im wesentlichen entsprechend der ersten Ausführungsform
ausgebildet, so daß sich
entsprechende Vorteile, Aspekte und Eigenschaften ergeben.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1.
Vorzugsweise sind ein Reaktionsbereich 15 und ein Sammelbereich 16 im
zweiten Kanalabschnitt 4 bzw. auf dem zweiten Trägerabschnitt 6 gebildet.
Zusammen mit dem ersten Kanalabschnitt 3 kann so beispielsweise
ein Drei-Kammern-System
gebildet werden, das bedarfsweise die Funktion eines sogenannten
Immuno-Assays aufweisen kann. Hierzu kann der erste Trägerabschnitt 5 mit
einem vorzugsweise lösbaren Reagenz
versehen bzw. beschichtet sein, das in einer ersten Phase nach Zuführung der
Flüssigkeit 2 von
dieser gelöst
wird oder mit dem Reagenz reagiert.
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In
einer zweiten Phase – insbesondere
nach Ablauf einer bestimmten Zeit – werden die beiden Kanalabschnitte 3, 4 bzw.
Trägerabschnitte 5, 6 zusammengeschoben,
dieser Zustand ist in 5 dargestellt, so daß die Flüssigkeit 2 dann
in den Reaktionsbereich 15 und schließlich in den Sammelbereich 16 strömen und
insbesondere sich dort sammeln kann. Im Reaktionsbereich 15 kann
die Flüssigkeit 2 bzw. darin
enthaltenes Reagenz und/oder ein darin enthaltener Analyt – insbesondere
ein aus dem Reagenz, vorzugsweise einem Antikörper, und dem Analyten gebildeter
Komplex – reagieren
und insbesondere an immobilisierten Antikörpern oder dgl. zum Nachweis binden.
Anschließend
kann eine Detektion, beispielsweise optisch, im Reaktionsbereich 15 erfolgen.
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Bei
dem voranstehend beschriebenen Ablauf, insbesondere bei einem qualitativen
oder sogar quantitativen Nachweis eines Analyten der Flüssigkeit 2 ist
bevorzugt vorgesehen, daß die
Flüssigkeit 2 zumindest
im wesentlichen vollständig
vom ersten Kanalabschnitt 3 – insbesondere nach Ablauf
einer vorbestimmten Reaktionszeit – in den sich anschließenden Reaktionsbereich 15 und
dann in den Sammelbereich 16 strömt, um eine definierte Reaktion
zu ermöglichen.
In diesem Fall ergibt sich eine Art blockweises Bewegen der Flüssigkeit 2 vom
ersten Kanalabschnitt 3 zum Ende des zweiten Kanalabschnitts 4 hin.
Diese Art der Bewegung kann insbesondere durch entsprechend anstei gende
Kapillarkräfte – vorzugsweise
durch entsprechende Texturierung bzw. Mikrostrukturierung und/oder
Beschichtung der Oberseiten der Trägerabschnitte 5, 6 – erreicht
werden.
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Gemäß einer
weiteren Alternative kann das Überbrücken oder
Aufheben des Kapillarstops 9 erst zum eigentlichen Starten
einer Reaktion bzw. Untersuchung der Flüssigkeit 2 verwendet
werden. So kann beispielsweise bei sehr zeitkritischen Reaktionen
oder Untersuchungen die Flüssigkeit 2 als
Probe zunächst
dem Kanalabschnitt 3 – insbesondere über eine
nicht dargestellte Einfüllöffnung oder
dgl. oder ggf. sogar mit Einführen
des ersten Trägerabschnitts 5 in
den Träger 8 – zugeführt und
so für
eine gewisse Zeit gelagert bzw. transportiert werden. Erst nach dem
Zusammenbewegen der beiden Trägerabschnitte 5, 6 wird
der Kapillarstop 9 überbrückt bzw.
aufgehoben. Die Flüssigkeit 2 kann
dann in den zweiten Kanalabschnitt 4 übertreten und die zeitkritische
Reaktion bzw. Untersuchung starten.
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Im
Falle des bereits voranstehend beschriebenen Reaktionsablaufs können dann
die einzelnen Phasen nacheinander im zweiten Kanalabschnitt 4 ablaufen.
Insbesondere ist hierzu dann das oben erwähnte, vorzugsweise lösbare Reagenz
nicht im ersten Kanalabschnitt 3 bzw. nicht auf dem ersten
Trägerabschnitt 5,
sondern vorzugsweise am Anfang des zweiten Kanalabschnitts 4 bzw.
Trägerabschnitts 6 – insbesondere
in einem Lösebereich,
der in 5 nicht separat dargestellt ist – angeordnet.
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Jedoch
kann der beschriebene Reaktionsablauf oder ein sonstiger Ablauf
auch dadurch – zeitlich noch
definierter – gesteuert
werden, indem mehrere Kanalabschnitte nacheinander – je nach
gewünschtem
Fortgang der Reaktion – unter
Aufhebung bzw. zur Überbrückung von
dazwischen angeordneten Kapillarstops 9 miteinander in
Kontakt gebracht werden. Diese grundsätzlichen Möglichkeiten ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung weiterer Ausführungsformen.
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6a bis 6c zeigen
in sehr schematischen Draufsichten eine vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 ohne
Abdeckung 7 gemäß einer
vierten Ausführungsform,
mit der insbesondere die gleichen Reaktionen bzw. Reaktionsabläufe wie
bei der zweiten Ausführungsform – wie voranstehend
beschrieben – reali sierbar
sind. Zusätzlich
weist die Vorrichtung 1 mindestens einen weiteren Kanalabschnitt 17 auf, der
entsprechend durch mindestens einen weiteren Trägerabschnitt 18 gebildet
ist. Der weitere Kanalabschnitt 17 bzw. Trägerabschnitt 18 – nachfolgend auch
kurz als weiterer Abschnitt 17/18 bezeichnet – ermöglicht beispielsweise,
daß nach
dem Übertritt der
Flüssigkeit 2 vom
ersten Kanalabschnitt 3 bzw. Trägerabschnitt 5 in
den zweiten Kanalabschnitt 4 bzw. Trägerabschnitt 6 eine
weitere Flüssigkeit,
insbesondere eine Waschflüssigkeit,
zuführbar
ist, in dem der weitere Trägerabschnitt 18 mit
der weiteren Flüssigkeit
mit dem ersten oder zweiten Kanalabschnitt 3, 4 bzw.
Trägerabschnitt 5, 6 in
Kontakt gebracht wird. 6a zeigt die noch voneinander
abgerückten
Trägerabschnitte 5, 6, 18. 6b zeigt
den Zustand, in dem der erste Trägerabschnitt 5 bereits zu
dem zweiten Trägerabschnitt 6 bewegt
wurde und mit diesem in Kontakt steht. 6c zeigt
eine weitere Phase, bei der der weitere Trägerabschnitt 18 – beim Darstellungsbeispiel
mit dem ersten Trägerabschnitt 5 – in Kontakt
gebracht wurde, um insbesondere einen Waschschritt durchzuführen, indem
eine Waschflüssigkeit
oder dgl. zugeführt
wird. So kann die Reaktion im Reaktionsbereich 15 auch
besonders genau wieder angehalten werden.
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7a bis 7c zeigen
in einer weiter abstrahierten Draufsicht eine fünfte Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1.
Zusätzlich
zu den beiden ersten und zweiten Kanalabschnitten 3, 4 bzw.
Trägerabschnitten 5, 6 sind
hier mehrere weitere Abschnitte 17/18 vorgesehen,
die bedarfsgerecht nacheinander und/oder gleichzeitig und/oder wahlweise
zueinander bewegt und insbesondere miteinander in Kontakt gebracht
werden können,
um die Flüssigkeit 2 oder
ggf. auch mehrere Flüssigkeiten durch
Aufhebung oder Überbrückung der
zwischen den einzelnen Abschnitten 3, 4, 17 bzw. 5, 6, 18 bestehenden
Kapillarstops 9 in gewünschter
Weise zu manipulieren und gewünschte
Reaktion(en) ausführen
zu lassen bzw. Untersuchungen ermöglichen zu lassen.
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7a zeigt
die noch getrennten Kanalabschnitte 3, 4, 17 bzw.
Trägerabschnitte 5, 6, 18,
wobei der Pfeil andeutet, daß der
erste Kanalabschnitt 3 bzw. Trägerabschnitt 5 mit
einem benachbarten, hier dem zweiten Kanalabschnitt 4 bzw.
Trägerabschnitt 6 durch
Verschieben in Kontakt gebracht wird. An schließend kann dann die Flüssigkeit 2 entsprechend vom
ersten Kanalabschnitt 3 in den zweiten Kanalabschnitt 4 strömen.
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7b zeigt
einen Zustand, bei dem erste Kanalabschnitt 3 und der zweite
Kanalabschnitt 4 bzw. der erste Trägerabschnitt 5 und
der zweite Trägerabschnitt 6 bereits
in Kontakt stehen. Die Pfeile deuten das Verschieben zweiter weiterer
Abschnitte 17 bzw. 18 an, um mit dem zweiten Kanalabschnitt 4 bzw.
Trägerabschnitt 6 vorzugsweise
von entgegengesetzten Seiten und insbesondere gleichzeitig in Kontakt
zu treten. Entsprechend ist dann eine Weiterleitung bzw. Aufteilung
der Flüssigkeit 2 auf
die beiden weiteren Kanalabschnitte 17 bzw. Trägerabschnitte 18 möglich.
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Die
beiden weiteren Abschnitte 17/18 können bedarfsweise
jedoch auch unterschiedliche Funktionen wahrnehmen. Beispielsweise
kann ein weiteres Trägerelement 18 der
Zufuhr einer weiteren Flüssigkeit,
beispielsweise Waschflüssigkeit,
dienen. Der dann vorzugsweise auf der entgegengesetzten Seite in
Anlage gebrachte, weitere Trägerabschnitt 18 dient
dann beispielsweise einer Aufnahme der Flüssigkeit 2 vom zweiten
Kanalabschnitt 4 bzw. Trägerabschnitt 6, die
von der weiteren Flüssigkeit
verdrängt
und insbesondere ausgewaschen wird.
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Es
ist jedoch auch möglich,
daß die
beiden in 7b angedeuteten weiteren Trägerabschnitten 18 nur
alternativ – je
nach Ausgang des vorherigen Reaktionsschritts oder zur wahlweisen
Variation des Reaktionsablaufs – mit
dem zweiten Kanalabschnitt 4 bzw. Trägerabschnitt 6 in
Kontakt gebracht werden.
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In
der Darstellung gemäß 7c ist
der letztgenannte Zustand dargestellt, bei dem ein weiterer Trägerabschnitt 18 mit
dem zweiten Kanalabschnitt 4 bzw. Trägerabschnitt 6 in
Kontakt steht und die Flüssigkeit 2 in
diesen weiteren Trägerabschnitt 18 bzw.
den davon gebildeten weiteren Kanalabschnitt 17 bereits
geströmt
ist. Beim Darstellungsbeispiel ist die Flüssigkeit 2 vollständig übergetreten. Dies
hängt jedoch
insbesondere von den wirkenden Kapillarkräften ab. Beispielsweise kann
sich die Flüssigkeit 2 auch
auf mehrere Abschnitte 3, 4, 17 bzw. 5, 6, 18 verteilen.
Die beiden Pfeile geben zusätzliche Kombinationsmöglichkeiten
mit weiteren Abschnitten 17/18 an. Hier gelten
die obigen Ausführungen
zu der Konstellation gemäß 7b entsprechend.
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8 zeigt
in einer schematischen Draufsicht eine sechste Ausführungsform
der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 ohne
Abdeckung 7. Diese Ausführungsform
entspricht vorzugsweise zumindest im wesentlichen der dritten Ausführungsform,
wobei zwei zweite Kanalabschnitte 4 bzw. Trägerabschnitte 6 parallel
angeordnet sind und parallel mit der Flüssigkeit 2 beaufschlagt
werden können.
Insbesondere können
zwei parallel bzw. unabhängig
voneinander ablaufende Reaktionen gleichzeitig gestartet werden. Hierzu
sind der erste Kanalabschnitt 3 bzw. Trägerabschnitt 5 mit
der Flüssigkeit 2 einerseits
und die beiden zweiten Kanalabschnitte 4 bzw. Trägerabschnitte 6 relativ
zueinander bewegbar, insbesondere miteinander in Kotakt bzw. Anlage
bringbar. Beim Darstellungsbeispiel erfolgt dies dadurch, daß der erste
Trägerabschnitt 5 zu
den zweiten Trägerabschnitten 6 bewegbar,
insbesondere verschiebbar ist.
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Bei
der in 8 dargestellten Anordnung ist der erste Kanalabschnitt 3 bzw.
Trägerabschnitt 5 derart
versetzt und/oder mittig bezüglich
der zugeordneten zweiten Kanalabschnitte 4 bzw. Trägerabschnitte 6 angeordnet,
daß der
erste Trägerabschnitt 5 der – wie durch
den Pfeil angedeutet – gleichzeitig mit
den beiden zweiten Trägerabschnitten 6 in
Kontakt bringbar ist, um ein gleichzeitiges Überleiten von Flüssigkeit 2 auf
die beiden zweiten Trägerabschnitte 6 zu
ermöglichen.
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Bedarfsweise
kann gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsvariante
der erste Trägerabschnitt 5 eine
entsprechend vergrößerte Breite
aufweisen und/oder können
die zweiten Trägerabschnitte 6 eine
verringerte Breite aufweisen, so daß bei Anlage des ersten Trägerabschnitts 5 an
die beiden zweiten Trägerabschnitte 6 die
dazwischen befindlichen Kapillarstops 9 jeweils vorzugsweise
zumindest im wesentlichen über
die gesamte Breite der beiden zweiten Trägerabschnitte 6 aufgehoben
bzw. überbrückt werden,
um ein möglichst
gleichmäßiges Füllen der
von den zweiten Trägerabschnitten 6 definierten
zweiten Kanalabschnitte 4 mit Flüssigkeit 2 über den
gesamten Kanalquerschnitt – insbesondere
mit zumindest im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung S verlaufender
Flüssigkeitsfront – zu ermöglichen.
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9 und 10 zeigen
eine siebte Ausführungsführungsform
der vorschlagsgemäßen Vorrichtung
in sehr schematischen Schnittdarstellungen, die lediglich die ersten
und zweiten Trägerabschnitte 5, 6 veranschaulichen. 9 zeigt
den beabstandeten Zustand, also mit noch nicht überbrücktem bzw. nicht aufgehobenem
Kapillarstop 9 zwischen dem ersten Trägerabschnitt 5 und
dem zweiten Trägerabschnitt 6.
Gegenüber
den voranstehend erläuterten
Ausführungsformen
sind die beiden Trägerabschnitte 5, 6 bei
der siebten Ausführungsform
durch einen Verbindungsabschnitt 19 miteinander verbunden.
Der Verbindungsabschnitt 19 ist vorzugsweise flexibel bzw. elastisch
verformbar und/oder stegartig ausgebildet. Bedarfsweise sind die
Trägerabschnitte 5, 6 und
der Verbindungsabschnitt 19 einstückig ausgebildet.
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Beim
relativen Bewegen, insbesondere Zusammenschieben, wird der Verbindungsabschnitt 19 derart
verformt, daß sich
die beiden Trägerabschnitte 5, 6 zumindest
im Bereich ihrer Querseiten bzw. Querkanten 11, 12 zur
Aushebung bzw. Überbrückung des
Kapillarstops berühren,
wie in 10 dargestellt. Dann kann die
Flüssigkeit 2 ungehindert
vom ersten Trägerabschnitt
5 zum zweiten Trägerabschnitt 6 übertreten
bzw. im nicht dargestellten Kanal weiterströmen, wie in 10 angedeutet.
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Der
vorzugsweise elastische Verbindungsabschnitt 19 führt zu dem
Vorteil, daß die
beiden Trägerabschnitte 5, 6 bei
der Herstellung und beispielsweise bei der Lagerung und/oder dem
Transport mit bereits eingefüllter
Flüssigkeit
nicht ungewollt relativ zueinander verschoben werden können, so
daß ein ungewolltes
Aufheben bzw. Überbrücken des
Kapillarstops ausgeschlossen werden kann.
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11 und 12 zeigen
eine achte Ausführungsform
der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 in
schematischen Draufsichten ohne Abdeckung 7. Die beiden
Trägerabschnitte 5, 6 sind
hier relativ zueinander drehbar bzw. klappbar, um den Kapillarstop 9 aufzuheben
oder zumindest zu überbrücken, so daß die Flüssigkeit 2 vom
ersten Trägerabschnitt 5 auf
den zweiten Trägerabschnitt 6 strömen kann. 11 zeigt
den Zustand im aufgeklappten Zustand, also mit temporär angehaltener
Flüssigkeit 2. 12 zeigt
den zusammen geklappten Zustand, also bei aufgehobenen Kapillarstop 9,
wobei die Flüssigkeit 2 vom ersten
Trägerabschnitt 5 bereits
auf den zweiten Trägerabschnitt 6 geströmt ist.
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Es
sind auch sonstige rotatorische Bewegungen und Kombinationen aus
rotatorischen und translatorischen Bewegungen zur Aufhebung oder Überbrükkung des
Kapillarstops 9 möglich.
Beispielsweise ist es möglich,
die Vorrichtung 1 bzw. den Träger 8 auch um eine
zumindest im wesentlichen in der Haupterstreckungsebene E liegende,
quer zur Strömungsrichtung
S verlaufende Achse zu knicken oder zu biegen, um dadurch benachbarte
Kanalabschnitte bzw. Trägerabschnitte
zueinander zu bewegen und einen dazwischen angeordneten Kapillarstop
zu überbrücken oder
gar aufzuheben, so daß dann
die Flüssigkeit
in dem gebildeten Kanal weiterströmen kann.
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Einzelne
Aspekte und konstruktive Lösungen
der beschriebenen Ausführungsform
können
ach beliebig miteinander kombiniert werden.