DE102006020716A1 - Microfluidic-processor for use in e.g. biomedical industry, has integrated polymer network-based units that are interconnected in logical base configuration and controllable over interfaces by superior system - Google Patents
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Abstract
Description
Bezeichnung der Erfindungdescription the invention
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen elektronisch steuerbaren Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten steuerbaren Elementen.The The invention relates to an electronically controllable microfluidic processor with integrated controllable elements.
In der (bio-)chemischen, pharmazeutischen und biomedizinischen Industrie gibt es einen wachsenden Bedarf an Miniaturisierung der fluidischen Prozesstechnik. Diesem Wunsch entsprechen mikrofluidische Geräte. Realisieren diese Geräte durch Funktionen-Integration mehr oder minder aufwändige biologische, biochemische oder chemische Prozesse, so spricht man von Mikrofluidik-Prozessoren oder auch von „Labs on a Chip" (LOC), „Chip-Labore" bzw. „Micro Total Analysis Systems" (μTAS).In the (bio) chemical, pharmaceutical and biomedical industries There is a growing need for miniaturization of fluidic process technology. This request is met by microfluidic devices. Realize these devices through feature integration more or less elaborate Biological, biochemical or chemical processes, that's what we call it from microfluidic processors or also "Labs on a Chip" (LOC), "Chip Labs" or "Micro Total Analysis Systems "(μTAS).
Das LOC-Konzept offeriert mannigfaltige Vorteile. Die Verringerung der Fluidvolumina ermöglicht das Analysieren kleinster Probenmengen und einen sparsamen Umgang mit Reagenzien und Proben, die oft wertvoll, selten, schädlich oder gefährlich sind. Dadurch sind auch höhere Durchsätze erreichbar, da aufgrund der geringen Mengen verkürzte Bereitstellungs-, Misch- und Reaktionszeiten bei minimiertem Energiebedarf benötigt werden. Aufgrund geringerer System-Antwortzeiten kann sich auch die Prozesskontrolle erleichtern.The LOC concept offers many advantages. The reduction of Fluid volumes allows the analysis of the smallest sample quantities and an economical handling with reagents and samples that are often valuable, rare, harmful or are dangerous. This also makes higher throughputs achievable because, due to the small quantities, shortened provision, mixing and and reaction times are needed with minimal energy requirements. Due to lower system response times can also facilitate the process control.
Insgesamt ermöglichen LOC-Aufbauten bedeutende Prozessrationalisierungen, indem sie die Prozesszeit erheblich ver kürzen und damit den möglichen Durchsatz erhöhen, und die Mengen der benötigten Medien (Probanden, Analyte, Reagenzien, Hilfsmedien) reduzieren.All in all enable LOC builds significant process rationalizations by reducing the process time cut considerably and thus the possible Increase throughput, and the quantities of needed Reduce media (subjects, analytes, reagents, auxiliary media).
Trotz der offensichtlichen Vorteile gibt es nur in Ausnahmefällen realisierte LOC-Anwendungen. Die Ursachen hierfür sind darin zu suchen, welche Teil-Prozesse derzeit miniaturisiert (on-chip-integriert) sind.In spite of The obvious benefits are only realized in exceptional cases LOC applications. The reasons for this are to be found in which sub-processes currently miniaturized (on-chip integrated).
Stand der TechnikState of the art
Die typische Struktur biologischer, biochemischer oder chemischer Prozesse umfasst die Aufgaben der Probenpräparation, -handhabung und -reaktion bzw. -analyse in jeweils spezifischen Formen und Kombinationen. Derzeit erfolgt hauptsächlich eine on-chip-Integration der Probenvorbereitung sowie der Reaktion bzw. Analyse. Die aus der Rationalisierung dieser Teil-Prozesse resultierenden wirtschaftlichen Vorteile erwiesen sich jedoch im Regelfall als nicht tragfähig.The typical structure of biological, biochemical or chemical processes includes the tasks of sample preparation, handling and reaction or analysis in specific forms and combinations. Currently mainly takes place an on-chip integration of sample preparation and reaction or analysis. The results of the rationalization of these sub-processes However, the resulting economic benefits proved in the Normally not as sustainable.
Enormes Rationalisierungspotential bietet die Probenhandhabung, weil sie besonders zeit- und arbeitsintensiv ist. Aufgrund ihrer problematischen on-chip-Integration wird die Probenhandhabung derzeit manuell oder mit bestimmten Sonderapparaturen, wie Dilutern, Spritzenpumpen, Pipettiergeräten u.ä., außerhalb der Chips durchgeführt.enormous Rationalization potential offers sample handling because they is particularly time consuming and labor intensive. Because of their problematic on-chip integration is the sample handling currently manual or with certain special equipment, such as diluters, syringe pumps, pipetting devices, etc., performed outside the chips.
Die durchaus vielfältig verfügbaren miniaturisierbaren elektronisch steuerbaren fluidischen Antriebe (Pumpen) und Schaltelemente (Ventile) besitzen aber solche Nachteile, dass sie entweder nicht wirtschaftlich in einen Lab-on-a-Chip-Aufbau integrierbar sind oder über unzulängliche Gebrauchseigenschaften verfügen.The quite diverse available miniaturizable electronically controllable fluidic drives (Pumps) and switching elements (valves) but have such disadvantages, that they either can not be economically integrated into a lab-on-a-chip setup are or over inadequate Have functional properties.
Fluidische
Elemente auf Basis von Festkörperaktoren,
wie Piezoaktoren [
Wandlerelemente,
die auf Änderungen
des Aggregatzustandes beruhen, lassen sich mit zum Teil geringfügigen Eingriffen
in das Layout der Kanalstrukturträger integrieren und sind deshalb
meist zum Fertigungsprozess der Kunststoffformteile des Kanalstrukturträgers kompatibel.
Es sind beispielsweise Schmelzelemente [R. Pal et al., Anal. Chem.
76 (2004) 13, S. 3740–3748]
und Gefrierelemente [
Allerdings besitzen aggregatzustandsveränderliche Wandler einige unzulängliche Gebrauchseigenschaften. Mit Ausnahme der Blasengeneratoren lassen sich die Wandler nicht aktorisch nutzen, so dass ihre Anwendung auf Schaltelemente beschränkt ist. Durch die notwendigen Wärmeschwankungen sind die Prozessmedien erheblichem thermischen Stress, bei Gefrierelementen auch mechanischem Stress ausgesetzt.Indeed own aggregate state changeable Converter some inadequate Use properties. Leave except the bubble generators the converters do not use actorically, so their application limited to switching elements is. Due to the necessary heat fluctuations are the process media considerable thermal stress, in freezing elements also exposed to mechanical stress.
Wandler mit Gasbildung eignen sich für viele mikrofluidische Prozesse nicht, weil die meisten gasblasenempfindlich sind.converter with gas formation are suitable for Many microfluidic processes are not, because most are sensitive to gas bubbles are.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine LOC-Vorrichtung zu schaffen, die mit einem wirtschaftlich vertretbaren Fertigungsaufwand herstellbar ist und welche die Probenhandhabung in on-chip-integrierter Form enthält. Damit lässt sich die Probenpräparation und/oder Probenreaktion bzw. Probenanalyse mit der Probenhandhabung in einem LOC-Aufbau vereinen.task The invention is to provide a LOC device, which with an economically viable manufacturing cost produced and which sample handling in on-chip integrated form contains. Leave it the sample preparation and / or Sample reaction or sample analysis with sample handling in one Combine LOC structure.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 20 angegeben.According to the invention Problem solved by the features specified in claim 1. advantageous Embodiments are specified in claims 2 to 20.
Die stoffliche Grundlage der Erfindung bilden Hydrogele. Hydrogele sind Polymernetzwerke, die bei Einwirkung wässriger Quellmittel ihr Volumen, ihre Festigkeit und andere Eigenschaften ändern. Diese Polymernetzwerke lassen sich nach der Art der Polymerketten-Verknüpfung untereinander in chemisch und physikalisch vernetzte Polymernetzwerke bzw. Hydrogele unterteilen. Bei chemisch vernetzten Polymernetzwerken sind die einzelnen Polymerketten durch kovalente (chemische) Verbindungen irreversibel miteinander verknüpft. Bei physikalisch vernetzten Polymernetzwerken sind die Polymerketten durch physikalische Wechselwirkungen miteinander verbunden, die meist wieder gelöst werden können.The The basis of the invention are hydrogels. Hydrogels are Polymeric networks, the influence of aqueous swelling agents their volume, their Change strength and other properties. These polymer networks can be chemically linked to each other according to the type of polymer chain linkage and physically crosslinked polymer networks or hydrogels. For chemically crosslinked polymer networks, the individual polymer chains by covalent (chemical) compounds irreversibly with each other connected. In physically crosslinked polymer networks, the polymer chains are through physical interactions are interconnected, mostly solved again can be.
Eine besondere Klasse der Hydrogele sind solche mit „smartem" Charakter. Smarte Hydrogele vollführen als chemisch vernetzte Polymernetzwerke reversible diskontinuierliche Volumenphasenübergänge bei Einwirkung bestimmter Umgebungsgrößen. Als physikalisch vernetzbare Polymernetzwerke entnetzen oder vernetzen (auch Gelbilden bzw. Gelieren) sie zwischen dem maximal vernetzten und dem vollständig aufgelösten Zustand. Die Umgebungsgrößen können elektrische Feldgrößen, Strahlung, Temperatur, Ionen- und Stoffkonzentrationen sein. Eine elektrische bzw. elektronik-kompatible Steuerbarkeit smarter Hydrogele ist mit direkten elektrischen Größen und Feldgrößen derzeit problematisch, da die entsprechenden Effekte bzgl. ihres Wirkungsgrads noch unzureichend sind und eine eingeschränkte Reversibilität besitzen. Mit thermisch-elektronischen Schnittstellen lassen sich jedoch temperatursensitive Hydrogele sehr einfach steuern, da die notwendige Wärmezufuhr oder der Wärmeentzug technisch unkompliziert realisierbar ist.A particular class of hydrogels are those of "smart" character. Perform smart hydrogels as chemically crosslinked polymer networks reversible discontinuous Volume phase transitions at Influence of certain environmental parameters. As physically crosslinkable Remove or crosslink polymer networks (also yellowing or gelling) between the maximum networked and the fully resolved state. The environmental quantities can be electric field quantities, radiation, Temperature, ion and substance concentrations. An electric or electronics-compatible controllability of smart hydrogels is with direct electrical quantities and Field sizes currently problematic, since the corresponding effects regarding their efficiency are still insufficient and have a limited reversibility. With thermo-electronic interfaces, however, can be temperature-sensitive Hydrogels are very easy to control because of the necessary heat input or the withdrawal of heat technically uncomplicated feasible.
Ein
erster Vorteil von Hydrogelen gegenüber anderen Wandlern besteht
in der enormen Vielfalt von aktiven Funktionen, die mit ihnen realisierbar sind.
Sie können
als elektronisch steuerbare fluidische Elemente in Form von Schaltelementen
[
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei den verwendeten Bezugszeichen gleich bleibende Bedeutung zukommt. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention is based on embodiments be explained in more detail, wherein the reference numerals used have the same meaning. In the associated Drawings show:
Anhand
von
Das
in
Durch
gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen
Durch gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen:
- –
16a und16f (Mischungsverhältnis 2:1) - –
16b und16e (Mischungsverhältnis 1:2) - –
16d und16c (Mischungsverhältnis 1:1)
- -
16a and16f (Mixing ratio 2: 1) - -
16b and16e (Mixing ratio 1: 2) - -
16d and16c (Mixing ratio 1: 1)
Durch Parallelisierung mehrerer solcher LOC kann eine kürzere Taktung und somit eine kontinuierliche Enzymaktivitätskontrolle, welche der Enzymproduktionskontrolle entspricht, erreicht werden.By Parallelization of several such LOCs can be a shorter timing and thus a continuous enzyme activity control, which is the enzyme production control corresponds to be achieved.
Die erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Prozessoren können zwei prinzipielle Bauformen besitzen.The Microfluidic processors according to the invention can have two basic designs.
Der
in
Wie
Das
Hydrogelelement
Das
Hydrogelelement
Der
Aufbau des Mikrofluidik-Prozessors nach
Die
Fertigung der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Prozessoren
kann für
die Aktor- und Kanalstrukturträger
Zur
Fertigung kleiner Serien oder von Unikaten eignen sich Verfahren
des Rapid Prototyping, z. B. das Fräsen der Kanalstrukturen. Eine
recht einfache Variante zur Fertigung kleiner Serien ist das Masterabformen
von PDMS. Dazu werden Negativstrukturen von dem Kanalstrukturträger
Die
flexiblen Membranen
Die
elektrische Ansteuerung der Mikrofluidik-Prozessoren kann ebenfalls
mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Verdrahtungsträgern gefertigt
werden. Der Strukturträger
Der
Strukturträger
Der
Dickschicht-Leitpasten-Siebdruck ist auch eine eigenständige Fertigungsmöglichkeit
der elektrischen Ansteuerung. Die Leiterbahnen und Heizwiderstände können direkt
auf den Strukturträger
Die einzelnen Lagen des LOC können miteinander verklebt, verschweißt oder kraftschlüssig gefügt werden. PDMS-Formteile lassen sich beispielsweise nach einer Niederdruck-Sauerstoff-Plasma-Behandlung sehr gut mit PDMS als Klebstoff und anschließender Temperaturhärtung verkleben.The individual layers of the LOC can glued together, welded or frictionally joined. PDMS molded parts can be, for example, after a low pressure oxygen plasma treatment Bond very well with PDMS as adhesive and subsequent temperature hardening.
Hydrogelelemente
sind mit verschiedenen Verfahren herstell bar. Zum Strukturieren
von Hydrogelschichten können
die vernetzende Fotopolymerisation [D. J. Beebe et al., Nature
Smarte Hydrogele lassen sich derzeit nur schwierig direkt mit elektrischen Größen steuern. Temperatursensitive Hydrogele können aber sehr einfach über eine thermische Schnittstelle elektrisch angesteuert werden und sind deshalb als elektronisch steuerbare Elemente einsetzbar. Das Eigenschaftsprofil von elektronikkompatiblen Hydrogelen und ihre Anwendungsmöglichkeiten werden deshalb anhand temperatursensitiver Hydrogele dargestellt.smart Hydrogels are currently difficult to handle directly with electrical Control sizes. temperature Sensitive Hydrogels can but very easy about a thermal interface can be controlled electrically and are therefore used as electronically controllable elements. The Property profile of electronically compatible hydrogels and their applications are therefore represented by temperature-sensitive hydrogels.
Chemisch
vernetzte temperatursensitive smarte Hydrogele können zwei Verhaltensweisen beim
Volumenphasenübergang
aufweisen (siehe
Mögliche Synthese- und Strukturierungsverfahren von PNI-PAAm-basierten Hydrogelen sind z. B. in A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, S. 748–753, beschrieben.Possible synthesis and structuring methods of PNI-PAAm-based hydrogels are e.g. B. in A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, p. 748-753, described.
Ähnlich gute
Phasenübergangs-Eigenschaften
mit LCST-Charakteristik besitzt das ebenfalls in
Temperatursensitive
Hydrogele mit einer Upper Critical Solution Temperature (UCST)-Charakteristik
quellen bei Überschreiten
der Phasenübergangstemperatur
und sind bei geringen Temperaturen entquollen. Ein Hydrogel mit
UCST-Verhalten ist das Copolymer aus Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA)
und Acetoacetoxyethyl Methacrylat (AAEM) [V. Boyko et al., Macromol.
Chem. Phys. 204 (2003), S. 2031–2039].
In einer 60wt%:40wt% Ethanol/Wasser-Mischung liegt dessen Phasenübergangstemperatur
bei 31,5°C
(siehe
Physikalisch vernetzbare Polymernetzwerke bilden sich bei Einwirken bestimmter Umgebungsgrößen aus einer Polymerlösung durch Gelieren, indem sich die einzelnen Polymermoleküle zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpfen. Diese Vorgang ist meist reversibel (Sol-Gel-Übergangsverhalten). Durch Einwirken der kritischen Umgebungsgröße werden die Verknüpfungspunkte wieder aufgetrennt und die Polymermole küle liegen gelöst vor.Physically Crosslinkable polymer networks form when exposed to certain Environment sizes off a polymer solution by gelling, by the individual polymer molecules to a three-dimensional Link network. This process is usually reversible (sol-gel transition behavior). By acting the critical environment size the linking points again separated and the polymer molecules are dissolved before.
Typische temperaturschaltbare physikalisch vernetzbare Hydrogele sind Gelatine, Pektine und Agarose. Ihre Sol-Gel-Übergangstemperaturen lassen sich durch verschiedene Maßnahmen zwischen etwa 15°C und 95°C einstellen. Zu diesen und weiteren physikalisch vernetzbaren Polymernetzwerken bietet [K. te Nijenhuis, Thermoreversible Networks, Adv. Polym. Sci. 130, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1997] einen Überblick. Es gibt auch Polymernetzwerke, die chemisch vernetzt sind und über physikalisch vernetzbare Komponenten verfügen. Durch Einwirken auf die physikalisch vernetzbaren Komponenten lassen sich zusätzliche Vernetzungspunkte ausbilden bzw. aufheben, so dass der Vernetzungsgrad und damit auch der Quellungsgrad beeinflusst werden kann.typical temperature-switchable physically crosslinkable hydrogels are gelatin, Pectins and agarose. Your sol-gel transition temperatures can be adjusted by various measures between about 15 ° C and 95 ° C. To these and other physically networkable polymer networks offers [K. Nijenhuis, Thermoreversible Networks, Adv. Polym. Sci. 130 Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1997]. There are also polymer networks that are chemically networked and physically have crosslinkable components. By acting on the physically crosslinkable components leave additional Forming or canceling networking points, so that the degree of crosslinking and thus also the degree of swelling can be influenced.
Chemisch vernetzte smarte Hydrogele ändern beim Phasenübergang eine ganze Reihe von Eigenschaften. Für Hydrogelelemente sind hauptsächlich die Änderungen ihres Volumens, der Festigkeit, der Permeabilität (Stoffdurchlässigkeit) bzw. Diffusionseigenschaften sowie des Speichervermögens nutzbar. Durch die Nutzung der Volumenänderung lassen sich beispielsweise Ventile, fluidische Antriebe (Pumpen) und Stellglieder realisieren, die über elektronikkompatible Schnittstellengrößen steuerbar sind.chemical Change networked smart hydrogels at the phase transition a whole lot of properties. For hydrogel elements are mainly the changes their volume, strength, permeability (mass permeability) or diffusion properties and the storage capacity available. By using the volume change let For example, valves, fluidic drives (pumps) and actuators realize that via electronics compatible Interface sizes are controllable.
Festigkeits- und Nachgiebigkeitsveränderungen lassen sich z. B. für schaltbare Sperren und Anschläge nutzen.strength and compliance changes can be z. For example switchable barriers and stops use.
Änderungen der Permeabilität bzw. der Diffusionseigenschaften sind ebenfalls zum Schalten oder Beeinflussen von Stoffflüssen nutzbar.amendments the permeability or the diffusion properties are also for switching or influencing of material flows available.
Physikalisch vernetzbare Hydrogele können im vernetzten Zustand ebenfalls Volumen, Festigkeit und Permeabilität ändern. Als rein physikalisch vernetzte Hydrogele verfügen sie jedoch nicht über ein Volumenphasenübergangsverhalten, sondern ändern diese Eigenschaften spontan bei der Quellung aus dem Trockenen bzw. beim Austrocknen. Sie lassen sich aber in ihrem Vernetzungszustand schalten, d. h., man kann einen Hydrogel-Festkörper erzeugen, auflösen oder in seinen Quellungs- bzw. Festigkeitseigenschaften beeinflussen.Physically Crosslinkable hydrogels can be used in the Crosslinked state also change volume, strength and permeability. When However, purely physically cross-linked hydrogels do not have a volume phase transition behavior. but change These properties spontaneously when swelling from the dry or drying out. But they can be in their networking state switch, d. h., you can create a hydrogel solid, dissolve or influence in its swelling or strength properties.
Diese Eigenschaften lassen sich für einmalig aktivierbare Hydrogelelemente, z. B. in Form von Ventilen, Formkörpern mit Sperr-, Arretier- oder Stellfunktion, verwenden, die über die elektronikkompatible Schnittstellengrößen in ihrer Festigkeit verändert, aufgelöst oder durch Gelbildung erzeugt werden. Der Gelbildungs- bzw. -Auflösungsprozess kann zudem zum gesteuerten Einschluss bzw. zur Freigabe von Flüssigkeiten, aber auch Feststoffen (z. B. Partikel, Zellen usw.), genutzt werden.These Properties can be for once activatable hydrogel elements, eg. In the form of valves, moldings with blocking, locking or positioning function, which use the Electron-compatible interface sizes changed in their strength, dissolved or be generated by gelation. The gelation or dissolution process can also be used for the controlled inclusion or release of liquids, but also solids (eg particles, cells, etc.).
Die
Die
in
Die
in
Das
temperaturaktivierbare Ventil auf Basis eines physikalisch vernetzten
Hydrogels nach den
Der Mastermix kann beispielsweise folgende Zusammensetzung besitzen:
- – 4μl 10x Puffer mit 25mM MgSO4(10x Pfu-Polymerasereaktionspuffer, Fermentas Life Science)
- – 0,2μl Forward Primer (FP) Endkonzentration 1μM
- – 0,2μl Reverse Primer (RP) Endkonzentration 1μM
- – 3,2μl dNTP (Desoxyribonucleosid Triphosphat Mischung; Fermentas Life Science) Endkonzentration 0,4mM each
- – 0,8μl Pfu-DNA-Polymerase (2,5 U/μl; Fermentas Life Science) und 11,6μl H2O (molecular biology grade).
- - 4μl 10x buffer with 25mM MgSO 4 (10x Pfu polymerase reaction buffer, Fermentas Life Science)
- - 0.2μl forward primer (FP) final concentration 1μM
- - 0.2μl reverse primer (RP) final concentration 1μM
- - 3.2μl dNTP (deoxyribonucleoside triphosphate mixture; Fermentas Life Science) final concentration 0.4mM each
- - 0.8μl Pfu DNA polymerase (2.5 U / μl, Fermentas Life Science) and 11.6μl H 2 O (molecular biology grade).
Bei Bedarf kann das H2O auch anteilig durch Zusätze wie DMSO, Glycerin u.a. (z. B. bei hohem GC-Gehalt) substituiert werden.If required, the H 2 O can also be proportionally substituted by additives such as DMSO, glycerol and the like (eg at high GC content).
Für mehrfache Anwendungen werden die Volumenangaben für den Mastermix mit der Anzahl der Anwendungen multipliziert. Der so vorbereitete Mastermix kann in einem gekühlten Vorratsgefäß (4°C) außerhalb des LOC's bereitgestellt werden. Gleiches gilt für die Templat-DNA's.For multiple Applications will specify the volume specifications for the master mix with the number of Applications multiplied. The master mix prepared in this way can be used in a chilled Storage vessel (4 ° C) outside provided by the LOC become. The same applies to the template DNA's.
Die
Hydrogel-Pumpen
Durch
gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen
- – 5min bei 94°C (initiale Templat-Denaturierung)
- – 30 Zyklen mit jeweils 30s bei 94°C (Templat-Denaturierung) und 30s bei 55°C (Primer-Annealing)
- – 4min bei 72°C (Primer-Elongation).
- - 5 min at 94 ° C (initial template denaturation)
- 30 cycles at 94 ° C for each 30s (template denaturation) and 30s at 55 ° C (primer annealing)
- - 4 min at 72 ° C (primer elongation).
Abschließend erfolgt eine Inkubation von 5min bei 72°C zum vervollständigen der Primer-Elongation.Finally done an incubation of 5 min at 72 ° C to complete the primer elongation.
Nach
der PCR werden durch gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen
Wahlweise
können
die PCR-Produkte auch an dem Ausgang
Durch
Anlegen einer Spannung (Feldstärke 10V/cm)
werden die PCR-Produkte in den Gel-Elektrophoresekammer
Die
Temperatursteuerung des LOC muss nicht zwangsläufig mit einer integrierten
elektrisch-resistiven oder lichtbasierten Ansteuerung erfolgen.
Es ist ebenso möglich,
die LOC durch externe Geräte,
in die sie ganz oder teilweise eingebracht werden, in ihrem Prozessablauf
zu steuern. Solche Geräte
können
beispielsweise entsprechend modifizierte PCR-Thermogeräte, Thermostaten, Thermocycler,
Wärmeschränke oder
Wärmebäder sein,
die zum Realisieren vorgegebener Temperaturprogramme befähigt sind.
Der Mikrofluidik-Prozessor kann ganzheitlich dem Temperaturprogramm
unterworfen werden. Die Erwärmung
kann aber auch lokal an bestimmten Abschnitten des LOC und in einer
bestimmten zeitlichen Reihenfolge erfolgen. Die lokalen Abschnitte
umfassen zweckmäßig Elemente,
die gleichzeitig betätigt
werden sollen. Für
das Layout nach
Durch die Anpassung der Mastermixzusammensetzung (mehrere Primer) und der Templat-DNA (Proben-DNA) lässt sich dieser prinzipielle Aufbau auf vielfältige DNA-Analysemethoden übertragen. Es sind alle Anwendungen, z. B. DNA-Fingerprint (Vaterschaftstest), Virenanalyse u.a, die auf dem Prinzip der PCR-DNA-Analyse basieren, auf einem LOC realisierbar.By the adaptation of the master mix composition (several primers) and the template DNA (sample DNA) leaves this basic structure is transferred to a variety of DNA analysis methods. There are all applications, eg. B. DNA fingerprint (paternity test), Virus analysis and others based on the principle of PCR-DNA analysis, feasible on a LOC.
Durch
die Anpassung der Architektur (z. B. zusätzliche Pumpen, Mischkammern,
Reaktionskammern usw.) können
auch komplexere Abläufe, wie
sie zum Beispiel für
die Reverse Transkriptase – PCR
(RT-PCR) benötigt
werden, auf einem LOC realisiert werden. Dazu ist lediglich ein
RT-Mastermix zusammenstellen und ein weiteres Temperaturprogramm
vor der PCR zu integrieren (two-step RT-PCR-Methode). Alternativ
kann selbstverständlich
auch der in
Die prinzipielle Zusammensetzung eines RT-Mastermix für eine two-step RT-PCR-Methode zeigt folgendes Beispiel:
- – Total RNA oder mRNA (prokaryontisch oder eukaryontisch) mit der Targetsequenz
- – Reverse Transkriptase(n)
- – dNTPs (vgl. PCR)
- – oligo(dT)-Primer (alternativ: sequenzspezifische- oder random-hexamer Primer) und
- – RNase-Inhibitor in dem zugehörigen Transkriptasepuffer.
- Die cDNA-Synthese findet bei 37°C bis 50°C statt.
- Total RNA or mRNA (prokaryotic or eukaryotic) with the target sequence
- Reverse transcriptase (s)
- - dNTPs (see PCR)
- Oligo (dT) primer (alternatively: sequence specific or random hexamer primer) and
- RNase inhibitor in the associated transcriptase buffer.
- The cDNA synthesis takes place at 37 ° C to 50 ° C.
Weitere Anwendungsgebiete der ErfindungFurther applications the invention
Die geschilderten Beispiele repräsentieren eine Vielzahl möglicher weiterer Anwendungen der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Prozessoren auf Hydrogelbasis. Durch die Anpassung der Prozessor-Architektur (z. B. zusätzliche Pumpen, Mischkammern, Reaktionskammern usw.) können auch komplexere Abläufe auf einem LOC realisiert werden. Es lassen sich vielfältige Pipettier- und Analyseaufgaben miniaturisieren und automatisieren, was nicht nur eine deutliche Kosten- und Zeitreduktion bewirkt, sondern auch die Prozessqualität z. B. durch Vermindern des Pipettierfehlers deutlich verbessert. Die LOC können für einmalige (Wegwerfartikel), kontinuierliche oder online-Aufgaben verwendet werden. Durch die Miniaturisierung und Automatisierung ist ein mobiler, ortsunabhängiger Einsatz der LOCs möglich.The examples described represent a variety of other possible applications of the hydrogel-based microfluidic processors of the present invention. By adapting the processor architecture (eg additional pumps, mixing chambers, reaction chambers, etc.) even more complex processes on an LOC can be realized the. It can be miniaturized and automated manifold pipetting and analysis tasks, which not only causes a significant cost and time reduction, but also the process quality z. B. significantly improved by reducing the pipetting error. The LOCs can be used for one-off (disposable), continuous or online tasks. Through miniaturization and automation, a mobile, location-independent use of LOCs is possible.
Im Bereich Biotechnologie sind sie beispielsweise für die Enzymreaktor- bzw. Bioreaktorüberwachung u.a. für Prokaryonten, Eukaryonten, Hefen und Pilze geeignet. Als online-, kontinuierliche oder Einmal-Messung (auch für die Einmalverwendung) ist ein Rapid-Screening der Aktivität von Enzymen unterschiedlicher Enzymklassen realisierbar. Durch Kombination mehrerer LOCs kann ein Multi Rapid Screening ermöglicht werden. Auch die Online-Expressionslevelkontrolle sowie die Online-Verfolgung von Wachstumskurven und Wachstumsfaktoren, auch in Ergänzung bzw. Kombination zur Flowzytometrie kann mit den erfindungsgemäßen LOC durchgeführt werden.in the For biotechnology, for example, they are responsible for enzyme reactor and bioreactor monitoring et al For Prokaryotes, eukaryotes, yeasts and fungi. As online, continuous or one-time measurement (also for single use) a rapid screening of the activity of enzymes of different enzyme classes feasible. By combination Multiple LOCs can be used for multi-rapid screening. Also the online expression level control as well as the online tracking of growth curves and growth factors, too in addition or combination for flow cytometry can with the LOC according to the invention carried out become.
In der Umwelt- bzw. Wasseranalytik lassen sich z. B. Mikroorganismenanalysen durch die Ermittlung und Zuordnung eines Aktivitätsprofils, aber auch Schnelltests zum Ermitteln der Wasserqualität [CSB (chemischer Sauerstoffbedarf), BSB (biologischer Sauerstoffbedarf), Schwermetalle, Nitrat, Nitrit usw.] realisieren.In the environmental or water analysis can be z. B. Microorganism analyzes by identifying and assigning an activity profile, but also quick tests to determine the water quality [COD (chemical oxygen demand), BOD (biological oxygen demand), Heavy metals, nitrate, nitrite, etc.].
Im medizintechnischen Bereich lässt sich die erfindungsgemäße LOC-Technologie beispielsweise zur Online-Zellkulturüberwachung (Eukaryonten, humane Zelllinien u.a.) durch Viabilitätstests [z. B. WST-1- und MTT- Test (Umwandlung eines Tetrazoliumsalzes in Formazan, z. B. 4-[3-(4-Jodphenyl)-2-(4-Nitrophenyl)-2H-5-Tetrazolium]-1,3-Benzendisulfonat) oder LDH-Test (Laktatdehydrogenase- Test)] usw. einsetzen.in the medical technology area the LOC technology according to the invention for example for online cell culture monitoring (eukaryotes, humane Cell lines, etc.) by viability tests [Z. B. WST-1 and MTT test (conversion of a tetrazolium salt in formazan, e.g. B. 4- [3- (4-iodophenyl) -2- (4-nitrophenyl) -2H-5-tetrazolium] -1,3-benzenedisulfonate) or LDH test (lactate dehydrogenase test)], etc.
Damit ist eine Zellgüte-, Chargen- und Passagenkontrolle für humane Zelllinien u.a. möglich.In order to is a cell grade, Batch and passage control for human cell lines, etc. possible.
Auch Auf-Chip-Bluttests zum Ermitteln eines Teils der wichtigsten Blutbildparameter, z. B. Blutzucker, pH-Wert, Laktat, Mineralien, Creatin, Hormone, Enzyme, Leukocyten, Erythrozyten u.a., Krankheitsmarker, der Nachweis von Reaktiv-Oxigen-Toxischen-Substanzen (ROTS- oxidativer Stress) u.s.w. sind realisierbar.Also On-chip blood tests to determine part of the main blood cell parameters, z. Blood sugar, pH, lactate, minerals, creatine, hormones, enzymes, Leukocytes, erythrocytes and others, disease markers, evidence of Reactive Oxigen Toxic Substances (ROTS oxidative stress), etc. are realizable.
- 11
- KanalstrukturträgerChannel structure support
- 1a1a
- Kanal im Kanalstrukturträgerchannel in the channel structure carrier
- 22
- AktorstrukturträgerAktorstrukturträger
- 33
- flexible Membranflexible membrane
- 4a4a
- Hydrogelelement a für eine Hydrogel-Pumpehydrogel element a for one Hydrogel pump
- 4b4b
- Hydrogelelement b für ein Hydrogel-Ventilhydrogel element b for one Hydrogel valve
- 4c4c
- gequollenes Hydrogelelementswollen hydrogel element
- 4d4d
- entquollenes Hydrogelelemententquollenes hydrogel element
- 4e4e
- vernetzbare Polymerlösunglinkable polymer solution
- 4f4f
- geliertes Hydrogelelementgelled hydrogel element
- 4g4g
- aufgelöstes Hydrogelelement (Polymerlösung)dissolved hydrogel element (Polymer solution)
- 55
- Strukturträger der elektrischen Ansteuerung (Leiterplatte)Structural support of electrical control (printed circuit board)
- 66
- Resistives Heizelement; Peltierelementresistive heating element; Peltier element
- 6a6a
- Heizstrukturheating structure
- 6b6b
- Heizstrukturheating structure
- 77
- Pumpenkammerpump chamber
- 88th
- Durchbruchbreakthrough
- 99
- Abdeckungcover
- 9a9a
- elastischer Abdeckungsbereich der Abdeckungelastic Cover area of the cover
- 10, 10a–10d10 10a-10d
- Ausgang/AuslassOutput / outlet
- 1111
- Eingang/EinlassInput / inlet
- 1212
- freigesetzter Wirkstoff im ProzessmediumUnlocked Active substance in the process medium
- 1313
- Kanalstrukturchannel structure
- 1414
- Partikelparticle
- 15a–15d15a-15d
- Hydrogel-Pumpen zur FlüssigkeitsaufnahmeHydrogel pump for fluid intake
- 16a–16f16a-16f
- Hydrogel-Pumpen zur Variation von MischververhältnissenHydrogel pump for variation of mixing ratios
- 17a–17c17a-17c
- Reaktions- bzw. Analyseeinheitenreaction or analysis units
- 18a–18e18a-18e
- MischmäanderMischmäander
- 19a–19d19a-19d
- Hydrogel-VentileHydrogel valves
- 20a, 20b20a, 20b
- PCR-KammerPCR chamber
- 21a, 21b21a, 21b
- Gel-ElektrophoresekammerGel Electrophoresis
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