DE102006020716B4 - Microfluidic processor - Google Patents

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Abstract

Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten steuerbaren Elementen zur Handhabung von Prozessmedien, mit auf temperatursensitiven Hydrogelen (4a–4g) basierenden Elementen (15a–15d; 16a–16f; 19a–19d), deren zur Medienhandhabung relevanten Sensibilitäten sich durch gezielt veränderbare Umgebungstemperatur ändern, wobei die Umgebungstemperatur über elektrische oder elektronikkompatible Schnittstellen (6, 6a, 6b) steuerbar ist und wobei die integrierten Polymernetzwerk-basierten Elemente (15a–15d; 16a–16f; 19a–19d) hardwaremäßig in einer logischen Grundkonfiguration zusammengeschaltet sind und über die Schnittstellen (6, 6a, 6b) durch ein übergeordnetes System kontrollierbar sind, gekennzeichnet durch mindestens eine fluidische Mischeinheit, welche über ausgangsseitig zusammengeschaltete Hydrogelaktor-basierte Pumpen (15a–15d; 16a–16f) verfügt, die für verschiedene Prozessmedien Mischungsverhältnisse herstellen, die durch die jeweiligen Volumina der Pumpenkammern (7) der Pumpen (15a–15d) konstruktiv vorgebbar sind und die entstandene Mischung in Reaktions- oder Analyseeinheiten (17a–17c; 20a, 20b) befördern.Microfluidic processor with integrated controllable elements for handling process media, with elements based on temperature-sensitive hydrogels (4a – 4g) (15a – 15d; 16a – 16f; 19a – 19d), whose sensitivities relevant to media handling change due to deliberately changeable ambient temperature, whereby the ambient temperature can be controlled via electrical or electronics-compatible interfaces (6, 6a, 6b) and the integrated polymer network-based elements (15a-15d; 16a-16f; 19a-19d) are interconnected by hardware in a basic logic configuration and via the interfaces (6 , 6a, 6b) can be controlled by a higher-level system, characterized by at least one fluidic mixing unit which has hydrogel actuator-based pumps (15a-15d; 16a-16f) connected on the output side, which produce mixing ratios for different process media, which are generated by the respective volumes the pump chambers ( 7) the pumps (15a-15d) can be predetermined in terms of design and the resulting mixture in reaction or analysis units (17a-17c; 20a, 20b).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft einen elektronisch steuerbaren Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten steuerbaren Elementen zur Handhabung von Prozessmedien, mit auf temperatursensitiven Hydrogelen basierenden Elementen, deren zur Medienhandhabung relevante Sensibilitäten sich durch gezielt veränderbare Umgebungstemperatur ändern, wobei die Umgebungstemperatur über elektrische oder elektronikkompatible Schnittstellen steuerbar ist und wobei die integrierten Polymernetzwerk-basierten Elemente hardwaremäßig in einer logischen Grundkonfiguration zusammengeschaltet sind und über die Schnittstellen durch ein übergeordnetes System kontrollierbar sind.The invention relates to an electronically controllable microfluidic processor with integrated controllable elements for handling process media, with temperature sensitive hydrogel based elements whose media handling relevant sensitivities change by selectively variable ambient temperature, wherein the ambient temperature is controlled by electrical or electronics compatible interfaces and wherein the integrated polymer network-based elements are interconnected in hardware in a basic logical configuration and are controllable via the interfaces by a higher-level system.

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 an 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. Realizing these devices by integrating functions more or less complex biological, biochemical or chemical processes, so we speak of microfluidic processors or even "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. Reducing fluid volumes allows for the analysis of minute sample volumes and economical handling of reagents and samples that are often valuable, rare, harmful or dangerous. This also higher throughputs are achievable, since due to the small quantities shortened provisioning, mixing and reaction times are required with minimal energy consumption. Due to lower system response times, process control can also be easier.

Insgesamt ermöglichen LOC-Aufbauten bedeutende Prozessrationalisierungen, indem sie die Prozesszeit erheblich verkürzen und damit den möglichen Durchsatz erhöhen, und die Mengen der benötigten Medien (Probanden, Analyte, Reagenzien, Hilfsmedien) reduzieren.Overall, LOC setups enable significant process rationalization by significantly reducing process time, thereby increasing throughput, and reducing the amount of media required (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.Despite the obvious advantages, there are only rarely implemented LOC applications. The reasons for this are to be found in which partial processes are 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 comprises the tasks of sample preparation, handling and reaction or analysis in specific forms and combinations. At present, on-chip integration of sample preparation as well as reaction or analysis is mainly carried out. However, the economic benefits resulting from the rationalization of these sub-processes have generally proved unsustainable.

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.Huge rationalization potential offers sample handling because it is particularly time-consuming and labor-intensive. Due to their problematic on-chip integration, sample handling is currently performed manually or with certain special equipment such as diluters, syringe pumps, pipettors, and the like. Ä., 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.However, the very diverse available miniaturized electronically controllable fluidic drives (pumps) and switching elements (valves) have such disadvantages that they either can not be economically integrated into a lab-on-a-chip structure or have inadequate performance characteristics.

Fluidische Elemente auf Basis von Festkörperaktoren, wie Piezoaktoren [ US 5,224,843 A , US 2003/0143122 A1 ] und Formgedächtnisaktoren [ US 5,659,171 A ], sind zwar als Einzelelemente gut miniaturisierbar, besitzen aber einen komplizierten Aufbau, sind auf bestimmte, meist nicht kunststoffbasierte, Materialien festgelegt und müssen deshalb separat gefertigt werden. Eine mögliche Hybrid-Integration (z. B. Aufkleben der Elemente auf das LOC) ist im Regelfall unwirtschaftlich.Fluidic elements based on solid-state actuators, such as piezoactuators [ US 5,224,843 A . US 2003/0143122 A1 ] and shape memory actuators [ US 5,659,171 A ], although they can be easily miniaturized as individual elements, but have a complicated structure, are specified on certain, usually not plastic-based, materials and must therefore be made separately. A possible hybrid integration (eg sticking of the elements to the LOC) is generally uneconomical.

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 [ US 6,536,476 B2 ] sowie thermische Blasengeneratoren [ US 6,283,718 B1 ] bekannt.Transducer elements, which are based on changes in the state of matter, can be integrated into the layout of the channel structure supports with sometimes minor interventions and are therefore usually compatible with the production process of the plastic molded parts of the channel structure support. For example, fuses [R. Pal et al., Anal. Chem. 76 (2004) 13, p. 3740-3748] and freezing elements [ US 6,536,476 B2 ] as well as thermal bubble generators [ US 6,283,718 B1 ] known.

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.However, aggregate state changers have some inadequate utility characteristics. With the exception of bubble generators, the transducers can not be used in an actuatoric way, so their application is limited to switching elements. Due to the necessary heat fluctuations, the process media are exposed to considerable thermal stress, and in the case of freezing elements also to mechanical stress.

Wandler mit Gasbildung eignen sich für viele mikrofluidische Prozesse nicht, weil die meisten gasblasenempfindlich sind.Gas-forming transducers are not suitable for many microfluidic processes because most are gas-sensitive.

Eine gattungsbildende Mikrofluidikvorrichtung ist aus DE 199 29 734 A1 bekannt, wobei die Polymernetzwerk-basierten Elemente als Hydrogel-Mikroventile ausgebildet sind, welche den Fluidflussweg durch die Mikrofluidikvorrichtung steuern. Hydrogel-Mikroventile sperren einen Fluidfluß oder lassen ihn zu, je nach ihrem Zustand, sie können aber keine Prozessmedien pumpen. A generic microfluidic device is made DE 199 29 734 A1 in which the polymer network-based elements are designed as hydrogel microvalves which control the fluid flow path through the microfluidic device. Hydrogel microvalves block or allow fluid flow, depending on their condition, but they can not pump process media.

Aus der US 2003/0210997 A1 ist ein steuerbare Aktuator auf Hydrogelbasis mit Ventilfunktion bekannt, wobei mehrere in einem Kanal hintereinanderliegende und nacheinander angesteuerte Ventile eine peristaltische Pumpe realisieren sollen. Allerdings ist die Anordnung für einen Flüssigkeitstransport ungeeignet, da die Ventilkörper keine Flüssigkeit verdrängen können. Sie nehmen beim Quellen Flüssigkeit auf und geben genau diese Flüssigkeitsmenge beim Schrumpfen wieder ab.From the US 2003/0210997 A1 is a controllable hydrogel-based actuator with valve function known, wherein a plurality of consecutive in a channel and successively controlled valves to realize a peristaltic pump. However, the arrangement is unsuitable for liquid transport since the valve bodies can not displace liquid. They absorb liquid while swelling and release exactly this amount of liquid when shrinking.

In der DE 101 57 317 A1 ist ein Mikrofluidik-Prozessor auf Basis eines quellfähigen Hydrogels offenbart, der gut miniaturisierbar ist sowie über elektrische oder elektronisch steuerbare Schnittstellengrößen steuerbar ist. In den fluidikdurchströmten Kanälen des Prozessors ist jeweils ein Aktordot mit Ventilfunktion platziert. Mehrere Kanäle können zu einem gemeinsamen Ausgang zusammengeführt sein.In the DE 101 57 317 A1 discloses a microfluidic processor based on a swellable hydrogel, which is easily miniaturized and controllable via electrical or electronically controllable interface sizes. In the fluidic flow channels of the processor, a Aktordot is placed with valve function. Multiple channels can be merged to a common output.

Dadurch lassen sich Mischvorgänge von Prozessmedien entsprechend der Kanalquerschnitte und Kanaleinlassdrücke realisieren. Durch Reihenschaltung mehrerer Aktordots soll sich zwar auch eine peristaltische Pumpe realisieren lassen, jedoch ist sie hierfür – wie oben erläutert – nicht geeignet.As a result, mixing processes of process media corresponding to the channel cross-sections and channel inlet pressures can be realized. Although a peristaltic pump should also be realized by series connection of several actuator dots, it is not suitable for this purpose, as explained above.

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. Die Kernaufgabe des Mikrofluidik-Prozessors soll darin bestehen, mittels auf dem Mikrofluidik-Prozessor angeordneter Hydrogelaktoren und Schnittstellen für unterschiedliche Prozessmedien gesteuert bestimmte Mischungsverhältnisse zu realisieren und die Mischungen autark entweder zu einem Ausgang zu transportieren oder einer weiteren Verarbeitung auf dem Mikrofluidik-Prozessor zuzuführen.The object of the invention is to provide an LOC device which can be produced with an economically justifiable manufacturing outlay and which contains the sample handling in on-chip-integrated form. Thus, sample preparation and / or sample reaction or sample analysis can be combined with sample handling in a LOC setup. The core task of the microfluidic processor should be to realize controlled mixing ratios by means of hydrogel actuators arranged on the microfluidic processor and interfaces for different process media and to transport the mixtures autonomously either to an output or to feed them to further processing on the microfluidic processor.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 3 bis 12 angegeben.According to the invention the object is achieved by the features specified in claims 1 and 2. Advantageous embodiments are specified in claims 3 to 12.

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 material basis of the invention are hydrogels. Hydrogels are polymer networks that change their volume, strength and other properties when exposed to aqueous swelling agents. These polymer networks can be subdivided into chemically and physically crosslinked polymer networks or hydrogels according to the type of polymer chain linkage. In chemically crosslinked polymer networks, the individual polymer chains are irreversibly linked by covalent (chemical) compounds. In physically networked polymer networks, the polymer chains are interconnected by physical interactions, which can usually be resolved again.

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 special class of hydrogels are those with a "smart" character. Smart hydrogels, as chemically crosslinked polymer networks, perform reversible discontinuous volume phase transitions when exposed to specific environmental parameters. As physically crosslinkable polymer networks, they dewet or crosslink (also gelling) between the maximum crosslinked and fully dissolved states. The environmental quantities can be electric field quantities, radiation, temperature, ion and substance concentrations. An electrical or electron-compatible controllability of smart hydrogels is currently problematic with direct electrical quantities and field sizes, since the corresponding effects with regard to their efficiency are still insufficient and have limited reversibility. With thermal-electronic interfaces, however, temperature-sensitive hydrogels can be controlled very easily, since the necessary heat supply or heat extraction can be implemented in a technically uncomplicated manner.

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 [ DE 101 57 317 A1 ], fluidischen Antrieben, Aufnahme- sowie Abgabesystemen von Wirk- und anderen Stoffen, aber auch zum Einschließen/Fixieren bzw. Freigeben von Objekten (z. B. durch Gelieren oder Auflösen) Verwendung finden. Ein weiterer Vorteil dieser Effektträger ist die einfache Herstellbarkeit von Hydrogelstrukturen. Da Hydrogele selbst Kunststoffe sind, können sie mit den für diese Stoffklasse typischen Verfahren gefertigt werden. Da die meisten Funktionselemente auch gleiche oder ähnliche Grundstrukturen besitzen, lassen sich die Hydrogelelemente mit einem oder nur wenigen zusätzlichen Fertigungsschritten direkt auf den Kanalstrukturträgern herstellen.A first advantage of hydrogels over other transducers is the enormous variety of active functions that can be realized with them. They can be used as electronically controllable fluidic elements in the form of switching elements [ DE 101 57 317 A1 ], fluidic drives, recording and dispensing systems of active substances and other substances, but also for enclosing / fixing or releasing objects (eg by gelling or dissolving) find use. Another advantage of these effect carriers is the easy manufacturability of hydrogel structures. Since hydrogels are themselves plastics, they can be manufactured using the typical procedures for this class of substances. Since most functional elements also have the same or similar basic structures, the hydrogel elements can be produced directly on the channel structure carriers with one or only a few additional manufacturing steps.

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out 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 will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments, wherein the reference numbers used have the same meaning. In the accompanying drawings show:

1a das Schaltbild eines Kanalstrukturträgers eines elektronisch steuerbaren Mikrofluidik-Prozessors auf Basis temperatursensitiver smarter Hydrogele, der z. B. für die Überwachung von Bioreaktoren anhand des Expressionslevels ausgewählter Wachstumsmarker Anwendung finden kann, 1a the diagram of a channel structure carrier of an electronically controllable microfluidic processor based on temperature-sensitive smart hydrogels, the z. B. can be used for the monitoring of bioreactors on the basis of the expression levels of selected growth marker application,

1b einen prinzipiellen Aufbau eines elektronisch steuerbaren Mikrofluidik-Prozessors nach 1a mit einem separaten Aktorstrukturträger in aufgeschnittener Ansicht, 1b a basic structure of an electronically controllable microfluidic processor according to 1a with a separate actuator structure carrier in cutaway view,

2a einen prinzipiellen Aufbau eines elektronisch steuerbaren Mikrofluidik-Prozessors mit einem separaten Aktorstrukturträger in Schnittdarstellung, 2a a basic structure of an electronically controllable microfluidic processor with a separate Aktorstrukturträger in section,

2b einen prinzipiellen Aufbau eines elektronisch steuerbaren Mikrofluidik-Prozessors ohne Aktorstrukturträger in Schnittdarstellung, 2 B a basic structure of an electronically controllable microfluidic processor without Aktorstrukturträger in sectional view,

3 das Quellverhalten chemisch vernetzter temperatursensitiver smarter Hydrogele in Abhängigkeit von der Temperatur, 3 the swelling behavior of chemically cross-linked, temperature-sensitive, smart hydrogels as a function of the temperature,

4 die prinzipielle Funktionsweise über thermischelektronische Schnittstellen angesteuerte Hydrogelelemente, wobei 4 the principle of operation via thermoelectronic interfaces driven hydrogel elements, wherein

4a und 4b eine verdrängend wirkende Mikropumpe auf Basis eines chemisch vernetzten Hydrogels mit UCST-Charakteristik zeigen, 4a and 4b show a positive displacement micropump based on a chemically cross-linked hydrogel with UCST characteristics,

4c und 4d eine Speichereinheit auf Basis eines chemisch vernetzten Hydrogels mit LCST-Charakteristik zeigen, 4c and 4d show a storage unit based on a chemically crosslinked hydrogel with LCST characteristics,

4e und 4f ein temperatur-aktivierbares Gelierelement zum Einschließen von Partikeln zeigen, 4e and 4f show a temperature-activatable gelling element for trapping particles,

4g und 4h ein temperatur-aktivierbares Ventil auf Basis eines physikalisch vernetzten Hydrogels zeigen und 4g and 4h show a temperature-activatable valve based on a physically crosslinked hydrogel and

5 ein mögliches Schaltbild eines LOC-Aufbaus für biochemische und medizinische Standardanwendungen, die auf Polymerase-Kettenreaktionen beruhen. 5 a possible circuit diagram of a LOC setup for standard biochemical and medical applications based on polymerase chain reactions.

Anhand von 1a wird zunächst beispielhaft eine Prozedur erläutert, welche mit den erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Prozessoren realisiert werden kann. Mit den 1b sowie 2a und 2b werden mögliche Aufbauprinzipien sowie Fertigungsverfahren vorgestellt. 3 verdeutlicht die nutzbaren Effekte der Hydrogele als steuerbare Elemente, während 4a bis 4h die Funktionsweise einiger steuerbarer Hydrogelelemente vorstellen. Die 5 demonstriert weitere typische Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen LOC.Based on 1a For example, a procedure which can be implemented with the microfluidic processors according to the invention will be explained by way of example. With the 1b such as 2a and 2 B possible design principles and manufacturing processes are presented. 3 illustrates the useful effects of hydrogels as controllable elements, while 4a to 4h introduce the functionality of some controllable hydrogel elements. The 5 demonstrates further typical applications of the LOC according to the invention.

Das in 1a dargestellte Schaltbild einer LOC-Kanalstruktur ist für eine ganze Reihe von chemischen, biotechnologischen und medizinischen Standardanwendungen geeignet. Seine Funktionalität wird anhand der online-Bestimmung der Enzymaktivität (Laccaseaktivität) eines Bioreaktors erläutert. In zwei Hydrogel-Pumpen 15a und 15b befinden sich 0,05 M Malonatpuffer des pH 5,0. Eine weitere Hydrogel-Pumpe 15c enthält eine als Substrat fungierende 2 mM 2,2'-Azino-Bis(3-Ethylbenzothiazolin-6-Sulfonsäure) (ABTS)-Lösung in einem 0,05 M Malonatpuffer des pH 5,0. In einer vierten Hydrogel-Pumpe 15d befindet sich eine Probe eines Bioreaktorproduktes Laccase, welche z. B. dem laufenden Reaktorbetrieb entnommen wurde.This in 1a The circuit diagram of an LOC channel structure shown is suitable for a whole range of standard chemical, biotechnological and medical applications. Its functionality is explained by the online determination of the enzyme activity (laccase activity) of a bioreactor. In two hydrogel pumps 15a and 15b There are 0.05 M malonate buffer of pH 5.0. Another hydrogel pump 15c contains a 2 mM 2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) solution as substrate in a 0.05 M pH 5.0 malonate buffer. In a fourth hydrogel pump 15d is a sample of a bioreactor product laccase, which z. B. was removed from the current reactor operation.

Durch gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen 15a und 15c sowie der Hydrogel-Pumpen 15b und 15d werden Puffer und Substrat (Hydrogel-Pumpe 15a mit Hydrogel-Pumpe 15c) sowie Puffer und Probe (Hydrogel-Pumpe 15b mit Hydrogel-Pumpe 15d) durch Mischmäander 18a, 18b gemischt und auf Hydrogel-Pumpen 16a bis 16f verteilt, wobei in den Hydrogel-Pumpen 16a bis 16c jeweils ein Puffer-Probegemisch und in den Hydrogel-Pumpen 16d bis 16f ein Puffer-Substratgemisch vorgelegt wird. Alle Hydrogel-Pumpen 15a15d und 16a16f basieren auf steuerbaren Polymernetzwerken.By simultaneously pumping the hydrogel pumps 15a and 15c as well as the hydrogel pumps 15b and 15d be buffer and substrate (hydrogel pump 15a with hydrogel pump 15c ) as well as buffer and sample (hydrogel pump 15b with hydrogel pump 15d ) through mixed meander 18a . 18b mixed and on hydrogel pumps 16a to 16f distributed, being in the hydrogel pumps 16a to 16c one buffer sample mixture each and in the hydrogel pumps 16d to 16f a buffer substrate mixture is presented. All hydrogel pumps 15a - 15d and 16a - 16f are based on controllable polymer networks.

Durch gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen:

  • 16a und 16f (Mischungsverhältnis 2:1)
  • 16b und 16e (Mischungsverhältnis 1:2)
  • 16d und 16c (Mischungsverhältnis 1:1)
werden Puffer-Substrat und Puffer-Probe durch weitere Mischmäander 18c bis 18e gemischt und in Reaktions- bzw. Analyseeinheiten 17a bis 17c transportiert. In diesen lässt sich die Enzymreaktion mit optischen Analysenmethoden verfolgen. Als einfachste optische Analyseeinheit kann ein nicht näher dargestellter lichtempfindlicher Widerstand (LDR – light dependent resistor) dienen, der eine einfache Ja-Nein-Antwort (Enzymaktivität vorhanden bzw. nicht vorhanden) gibt. Enzymkinetische Parameter lassen sich mit lichtspektroskopischen Methoden (z. B. UV-VIS Spektroskopie) ermitteln.By simultaneously pumping the hydrogel pumps:
  • - 16a and 16f (Mixing ratio 2: 1)
  • - 16b and 16e (Mixing ratio 1: 2)
  • - 16d and 16c (Mixing ratio 1: 1)
Buffer substrate and buffer sample are passed through further mixing meanders 18c to 18e mixed and in reaction or analysis units 17a to 17c transported. In these, the enzyme reaction can be followed by optical analysis methods. The simplest optical analysis unit can be a light-dependent resistor (LDR), not shown in detail, which gives a simple yes-no response (enzyme activity present or absent). Enzyme kinetic parameters can be determined by light-spectroscopic methods (eg UV-VIS spectroscopy).

Durch Parallelisierung mehrerer solcher LOC kann eine kürzere Taktung und somit eine kontinuierliche Enzymaktivitätskontrolle, welche der Enzymproduktionskontrolle entspricht, erreicht werden.By parallelizing several such LOC can a shorter clocking and thus a continuous enzyme activity control corresponding to enzyme production control.

Die erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Prozessoren können zwei prinzipielle Bauformen besitzen.The microfluidic processors according to the invention can have two basic designs.

Der in 1b gezeigte Mikrofluidik-Prozessor besitzt einen separaten Quellmittelkreislauf in einem Aktorstrukturträger 2, in dem sich je nach deren Funktionsweise auch ein Großteil steuerbarer Hydrogelelemente 4a, 4b befindet. Dieser Prozessor-Typ besteht aus drei Funktionsebenen. Ein Kanalstrukturträger 1 enthält fluidische Kanäle für das Prozessmedium sowie Kammern für die einzelnen Funktionselemente. Der Aktorstrukturträger 2 mit dem Quellmittelkreislauf befindet sich über dem Kanalstrukturträger 1. Die Kanalsysteme beider Strukturträger 1, 2 sind durch eine oder mehrere flexible Membranen 3 voneinander getrennt. Dient für die Hydrogelelemente 4a, 4b das Prozessmedium als Quellmittel, können die Kanalsysteme von Kanalstrukturträger 1 und Aktorstrukturträger 2 miteinander verbunden sein.The in 1b The microfluidic processor shown has a separate swelling agent circuit in an actuator structure carrier 2 , in which, depending on their mode of operation, a large part of controllable hydrogel elements 4a . 4b located. This processor type consists of three functional levels. A channel structure carrier 1 contains fluidic channels for the process medium as well as chambers for the individual functional elements. The actuator structure carrier 2 with the swelling agent circuit is located above the channel structure carrier 1 , The channel systems of both structural beams 1 . 2 are by one or more flexible membranes 3 separated from each other. Serves for the hydrogel elements 4a . 4b the process medium as the swelling agent, the channel systems of channel structure carrier 1 and actuator structural support 2 be connected to each other.

Wie 1b und 2a schematisch zeigen, enthält der Aktorstrukturträger 2 außerdem die Hydrogelelemente 4a, 4b. Das Hydrogelelement 4a stellt in seiner Zweitfunktion als Quellmittelreservoir das notwendige Quellmittel zur Verfügung, während das Hydrogelelement 4b das Prozessmedium als Quellmittel nutzt. Die Ebene des Aktorstrukturträgers 2 ist durch einen Strukturträger 5 für eine elektrischen Ansteuerung abgedeckt und trägt Heizstrukturen 6a, 6b sowie deren elektrische Kontaktierungen.As 1b and 2a show schematically contains the Aktorstrukturträger 2 also the hydrogel elements 4a . 4b , The hydrogel element 4a provides in its secondary function as Quellmittelreservoir the necessary swelling agent, while the hydrogel element 4b uses the process medium as the swelling agent. The plane of the actuator structure carrier 2 is through a structural support 5 covered for electrical control and carries heating structures 6a . 6b as well as their electrical contacts.

Das Hydrogelelement 4a besitzt die Funktion eines fluidischen Antriebs. Wird es mit den Heizelementen 6a von links nach rechts angesteuert, fängt es an, unter Lösungsmittelaufnahme aus den Speicherplätzen des Aktorstrukturträgers 2 zu quellen, so dass es die flexible Membran 3 von links nach rechts in eine Pumpenkammer 7 des Kanalstrukturträgers 1 einlenkt und das dortige Prozessmedium aus der Pumpenkammer 7 verdrängt. Da die Pumpenkammer 7 linksseitig durch das erste Segment des Hydrogelelements 4a geschlossen ist, wird das Prozessmedium durch einen Durchbruch 8 zu dem als Ventil wirkenden Hydrogelelement 4b gefördert. Ist dieses durch die Heizstruktur 6b so angesteuert, dass es entquollen ist, kann das Prozessmedium das geöffnete Hydrogel-element 4b passieren. Die Bezugszeichen 11 bezeichnen die Eingänge/Einlässe der Pumpenkammern 7 für das zu pumpende Prozessmedium, die Bezugszeichen 10 die Ausgänge/Auslässe. Mit Hilfe von Hydrogel-Ventilen 19a19c lässt sich der Durchfluss an Prozessmedium durch die Hydrogel-Pumpeneinheit 16a16f, Reaktions- bzw. Analyseeinheiten 17a17c und Mischmäander 18a18e ändern.The hydrogel element 4a has the function of a fluidic drive. Will it with the heating elements 6a driven from left to right, it starts, with solvent uptake from the memory locations of Aktorstrukturträgers 2 to swell, making it the flexible membrane 3 from left to right in a pump chamber 7 of the channel structure carrier 1 deflects and the local process medium from the pump chamber 7 repressed. Because the pump chamber 7 on the left side through the first segment of the hydrogel element 4a is closed, the process medium is through a breakthrough 8th to the acting as a valve hydrogel element 4b promoted. Is this through the heating structure 6b so driven that it is swollen, the process medium can open the hydrogel element 4b happen. The reference numerals 11 designate the inputs / inlets of the pump chambers 7 for the process medium to be pumped, the reference numerals 10 the exits / outlets. With the help of hydrogel valves 19a - 19c the flow of process medium can be passed through the hydrogel pump unit 16a - 16f , Reaction or analysis units 17a - 17c and meanders 18a - 18e to change.

Das Hydrogelelement 4b, welches sich eigentlich im Prozesskreislauf befindet, ist aus zwei Aspekten mittels der Durchbrüche 8 in die Ebene des Aktorstrukturträgers 2 verlegt. Zum einen lassen sich so sämtliche Hydrogelelemente 4a, 4b in der Ebene des Aktorstrukturträgers 2 fertigen, zum anderen können alle Hydrogelelemente 4a, 4b von einer einzigen Seite durch die Heizstrukturen 6a, 6b des Strukturträgers 5 angesteuert werden.The hydrogel element 4b , which is actually in the process cycle, is from two aspects by means of the breakthroughs 8th in the plane of the Aktorstrukturträgers 2 laid. On the one hand, all hydrogel elements can be used 4a . 4b in the plane of the Aktorstrukturträgers 2 on the other hand, all hydrogel elements 4a . 4b from a single side through the heating structures 6a . 6b of the structural support 5 be controlled.

Der Aufbau des Mikrofluidik-Prozessors nach 2b besitzt die gleiche Funktionalität wie der in 2a dargestellte. Er ist jedoch einfacher aufgebaut, da er keinen eigenständigen Quellmittelkreislauf benötigt. Die Hydrogelelemente 4a, 4b nutzen das Prozessmedium zum Quellen. Die Hydrogelelemente 4a, 4b sind direkt in Kanälen 1a des Kanalstrukturträgers 1 platziert und sitzen auf dem Strukturträger 5 für die Heizstrukturen 6a, 6b. Die Kanalstrukturen werden dabei durch eine Abdeckung 9 verschlossen, wobei diese Abdeckung 9 funktionelle Bereiche wie einen elastischen Federkraftspeicher 9a aufweisen kann.The structure of the microfluidic processor after 2 B has the same functionality as the one in 2a shown. However, it is simpler since it does not require a separate source agent circuit. The hydrogel elements 4a . 4b use the process medium for swelling. The hydrogel elements 4a . 4b are directly in channels 1a of the channel structure carrier 1 placed and sit on the structural support 5 for the heating structures 6a . 6b , The channel structures are covered by a cover 9 closed, with this cover 9 functional areas such as an elastic spring energy storage 9a can have.

Die Fertigung der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Prozessoren kann für die Aktor- und Kanalstrukturträger 1, 2 mit den üblichen Verfahren der Massenfertigung von Kunststoffformteilen, wie Spritzguss, Heißabformung oder ähnlichem erfolgen. Als Materialien eignen sich die für die Mikrofluidik üblichen, z. B. Polycarbonat (PC), Cycloolefine (COC), Polyamide (PA), Polyester (PES), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid PVC), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder auch Polytetrafluorethylen (PTFE).The production of the microfluidic processors according to the invention can be used for the actuator and channel structure carriers 1 . 2 done with the usual methods of mass production of plastic moldings, such as injection molding, hot stamping or the like. Suitable materials are those customary for microfluidics, z. As polycarbonate (PC), cycloolefins (COC), polyamides (PA), polyester (PES), polystyrene (PS), polyvinyl chloride PVC), polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylmethacrylate (PMMA) or polytetrafluoroethylene (PTFE).

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 1 und dem Aktorstrukturträger 2 fotolithografisch in Siliziumwafern erzeugt und diese anschließend mit Teflon durch Sputtern beschichtet, um eine gute Abformbarkeit zu erhalten. Danach wird das PDMS auf die Formen gebracht und für eine Stunde bei 100°C ausgehärtet.For the production of small series or unique pieces are methods of rapid prototyping, z. B. milling the channel structures. A very simple variant for the production of small series is the master molding of PDMS. These are negative structures of the channel structure support 1 and the Aktorstrukturträger 2 Photolithographically produced in silicon wafers and then coated with Teflon by sputtering to obtain a good moldability. Thereafter, the PDMS is placed on the molds and cured for one hour at 100 ° C.

Die flexiblen Membranen 3; 9a lassen sich ebenfalls in PDMS durch Rotationsbeschichten herstellen. Die Schichtdicken können mit diesem Verfahren sehr gut zwischen ca. 15 μm bis 100 μm eingestellt werden. Folien der erforderlichen Dicken lassen sich aber auch kommerziell erwerben.The flexible membranes 3 ; 9a can also be prepared in PDMS by spin coating. The layer thicknesses can be adjusted very well with this method between about 15 microns to 100 microns. Films of the required thicknesses can also be purchased commercially.

Die elektrische Ansteuerung der Mikrofluidik-Prozessoren kann ebenfalls mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von Verdrahtungsträgern gefertigt werden. Der Strukturträger 5 mit den Heizstrukturen 6a, 6b kann z. B. mit herkömmlichen Methoden und Materialien der Leiterplattentechnik realisiert werden. Dazu kann beispielsweise eine Polyesterfolie mit 35 μm dicker Kupferfolie laminiert, mit einer Maske versehen und anschließend nasschemisch strukturiert werden.The electrical control of the microfluidic processors can also be manufactured with the known methods for the production of wiring carriers. The structural support 5 with the heating structures 6a . 6b can z. B. with conventional Methods and materials of printed circuit board technology can be realized. For this example, a polyester film laminated with 35 micron thick copper foil, provided with a mask and then wet-chemically structured.

Der Strukturträger 5 kann anschließend mit Heizstrukturen 6a, 6b, z. B. in SMD-Form, per Schwalllöten bestückt werden. Alternativ können die Heizstrukturen 6a, 6b auch per Siebdruck entsprechender Dickschicht-Leitpasten erzeugt werden.The structural support 5 can subsequently with heating structures 6a . 6b , z. B. in SMD form, are equipped by wave soldering. Alternatively, the heating structures 6a . 6b also be produced by screen printing corresponding thick-film conductive pastes.

Der Dickschicht-Leitpasten-Siebdruck ist auch eine eigenständige Fertigungsmöglichkeit der elektrischen Ansteuerung. Die Leiterbahnen und Heizwiderstände können direkt auf den Strukturträger 5, oder, sofern er integraler Bestandteil von dem Kanalstrukturträger 1 oder dem Aktorstrukturträger 2 ist, auch direkt auf den Aktor- bzw. Kanalstrukturträger 1, 2 gedruckt werden.The thick-film conductive paste screen printing is also an independent production possibility of electrical control. The printed conductors and heating resistors can be applied directly to the structural support 5 , or, if it is an integral part of the channel structure carrier 1 or the Aktorstrukturträger 2 is, also directly on the actuator or channel structure support 1 . 2 to be printed.

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 be glued together, welded or non-positively joined. For example, after a low pressure oxygen plasma treatment PDMS moldings can be bonded very well with PDMS as an adhesive and subsequent temperature hardening.

Hydrogelelemente sind mit verschiedenen Verfahren herstellbar. Zum Strukturieren von Hydrogelschichten können die vernetzende Fotopolymerisation [D. J. Beebe et al., Nature 404 (2000), S. 588–590] und die Fotovernetzung A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, S. 748–753] verwendet werden. Weiterhin ist das Formgießen mit anschließender Polymerisation [M. E. Harmon et al., Polymer 44 (2003), S. 4547–4556] sowie das Erzeugen von Hydrogelpartikeln [K.-F. Arndt et al., Polym. Adv. Technol. 11 (2000), 496–505] möglich.Hydrogel elements can be produced by various methods. For structuring hydrogel layers, the crosslinking photopolymerization [D. J. Beebe et al., Nature 404 (2000), pp. 588-590] and photocrosslinking A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, pp. 748-753]. Furthermore, the molding with subsequent polymerization [M. E. Harmon et al., Polymer 44 (2003), pp. 4547-4556] and hydrogel particle generation [K.-F. Arndt et al., Polym. Adv. Technol. 11 (2000), 496-505].

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 control directly with electrical quantities. However, temperature-sensitive hydrogels can be electrically controlled very easily via a thermal interface and can therefore be used as electronically controllable elements. The property profile of electronically compatible hydrogels and their potential applications are therefore presented using temperature-sensitive hydrogels.

Chemisch vernetzte temperatursensitive smarte Hydrogele können zwei Verhaltensweisen beim Volumenphasenübergang aufweisen (siehe 3). Die meisten temperatursensitiven smarten Hydrogele besitzen eine Lower Critical Solution Temperature (LCST)-Charakteristik, d. h., sie sind bei niedrigen Temperaturen gequollen und entquellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur. Das bekannteste Hydrogel mit LCST-Charakteristik, Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm), besitzt eine Volumenphasenübergangstemperatur von 32,8°C. Die Lage der Phasenübergangs- bzw. Schalttemperatur von NIPAAm-basierten Hydrogelen kann durch Copolymerisation und Variation der Syntheseparameter in einem Bereich von +5°C und ca. 60°C eingestellt werden. Mögliche Synthese- und Strukturierungsverfahren von PNIPAAm-basierten Hydrogelen sind z. B. in A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, S. 748–753, beschrieben.Chemically cross-linked, temperature-sensitive smart hydrogels can exhibit two modes of volume-phase transition (see 3 ). Most temperature-sensitive smart hydrogels have a lower critical solution temperature (LCST) characteristic, ie, they are swollen at low temperatures and escape when the phase transition temperature is exceeded. The best-known LCST characteristic hydrogel, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), has a volume phase transition temperature of 32.8 ° C. The position of the phase transition or switching temperature of NIPAAm-based hydrogels can be adjusted by copolymerization and variation of the synthesis parameters in a range from + 5 ° C to about 60 ° C. Possible synthesis and structuring methods of PNIPAAm-based hydrogels are e.g. In A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, pp. 748-753.

Ähnlich gute Phasenübergangs-Eigenschaften mit LCST-Charakteristik besitzt das ebenfalls in 3 gezeigte Poly(Methylvinylether) (PMVE). Die Lage der Phasenübergangstemperatur dieses Hydrogels liegt bei 37°C. PMVE wird mit hochenergetischer Strahlung (Elektronenbestrahlung, Gamma-Bestrahlung) vernetzt [K.-F. Arndt et al., Macromol. Symp. 164 (2001), S. 313–322]. Weitere Vertreter mit LCST-Charakteristik basieren z. B. auf Hydroxypropylcellulose [B. Kabra et al., Macromolecules 31 (1998), S. 2166–2173].Similar good phase transition properties with LCST characteristics are also available in 3 shown poly (methyl vinyl ether) (PMVE). The location of the phase transition temperature of this hydrogel is 37 ° C. PMVE is cross-linked with high-energy radiation (electron irradiation, gamma irradiation) [K.-F. Arndt et al., Macromol. Symp. 164 (2001), pp. 313-322]. Other representatives with LCST characteristic are based z. On hydroxypropylcellulose [B. Kabra et al., Macromolecules 31 (1998), pp. 2166-2173].

Temperatursensitive Hydrogele mit einer Upper Critical Solution Temperature (UCST)-Charakteristik quellen bei Über schreiten 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 3).Temperature-sensitive hydrogels with an Upper Critical Solution Temperature (UCST) characteristic swell when the phase transition temperature is exceeded and are swollen at low temperatures. A hydrogel with UCST behavior is the copolymer of hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and acetoacetoxyethyl methacrylate (AAEM) [V. Boyko et al., Macromol. Chem. Phys. 204 (2003), pp. 2031-2039]. In a 60wt%: 40wt% ethanol / water mixture, its phase transition temperature is 31.5 ° C (see 3 ).

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 Polymermoleküle liegen gelöst vor.Physically crosslinkable polymer networks are formed by gelling when a certain amount of environmental factors are involved in a polymer solution by linking the individual polymer molecules into a three-dimensional network. This process is usually reversible (sol-gel transition behavior). By acting on the critical environmental size, the linkage points are separated again and the polymer molecules are present dissolved.

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. Their sol-gel transition temperatures can be adjusted by various measures between about 15 ° C and 95 ° C. To these and other physically crosslinkable polymer networks [K. Nijenhuis, Thermoreversible Networks, Adv. Polym. Sci. 130, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1997]. There are also polymer networks that are chemically crosslinked and have physically crosslinkable components. By acting on the physically crosslinkable components, additional crosslinking points can be formed or eliminated, 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. Chemically cross-linked smart hydrogels change a whole series of properties during the phase transition. For hydrogel elements, it is mainly the changes in their volume, strength, permeability (material permeability) or diffusion properties and storage capacity that can be used. By using the change in volume, for example, valves, fluidic drives (pumps) and actuators can be realized, which are controllable via electronically compatible interface sizes.

Festigkeits- und Nachgiebigkeitsveränderungen lassen sich z. B. für schaltbare Sperren und Anschläge nutzen.Strength and compliance changes can be z. B. for switchable locks and attacks use.

Änderungen der Permeabilität bzw. der Diffusionseigenschaften sind ebenfalls zum Schalten oder Beeinflussen von Stoffflüssen nutzbar.Changes in the permeability or the diffusion properties can also be used for switching or influencing material flows.

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 also change volume, strength and permeability in the crosslinked state. However, as purely physically crosslinked hydrogels, they do not have a volume phase transition behavior, but change these properties spontaneously upon swelling from drying or drying out. But they can be switched in their networking state, d. h., One can create a hydrogel solid, dissolve or influence 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 used for hydrogel elements which can be activated once. As in the form of valves, moldings with blocking, locking or actuating function, use the changed over the electronics compatible interface sizes in their strength, dissolved or 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 4a bis 4h verdeutlichen die prinzipiellen Funktionsweisen einiger Hydrogelelemente, wie sie für die erfindungsgemäßen LOC-Aufbauten benötigt werden.The 4a to 4h illustrate the principal modes of operation of some hydrogel elements, as they are needed for the LOC structures according to the invention.

Die in 4a und 4b dargestellte verdrängend wirkende Mikropumpe, wie sie z. B. für die Hydrogel-Pumpen 15a15d und 16a16f nach 1a nutzbar sind, basiert beispielsweise auf dem chemisch vernetzten temperatursensitiven UCST-Hydrogel Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA) und Acetoacetoxyethyl Methacrylat (AAEM). Das im Aktorstrukturträger 2 bevorratete Quellmittel 4d ist eine 60wt%:40wt% Ethanol/Wasser-Mischung. Bei Raumtemperatur ist dieses Hydrogel 4d entquollen. Die Pumpenkammer 7 ist mit dem zu fördernden Prozessmedium gefüllt. Um einen Stofffluss in Richtung eines Ausgangs 10 generieren zu können, muss die Pumpenkammer 7 zunächst am Eingang 11 verschlossen werden. Dazu wird das erste Heizelement 6 betätigt, so dass die Phasenübergangstemperatur des Hydrogels überschritten wird, das Hydrogel 4c quillt und durch Auslenkung der Membran 3 den Eingang 11 verschließt (4a). Dann werden die Heizelemente 6 sequenziell in Richtung Ausgang 10 betätigt, so dass die Pumpenkammer 7 durch das fortschreitend quellende Hydrogel 4c und die entsprechend ausgelenkte Membran 3 in Richtung Ausgang 10 entleert wird (4b).In the 4a and 4b shown displacing acting micropump, as z. B. for the hydrogel pumps 15a - 15d and 16a - 16f to 1a are based, for example, on the chemically crosslinked temperature-sensitive UCST hydrogel hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and acetoacetoxyethyl methacrylate (AAEM). That in the actuator structure carrier 2 stocked swelling agent 4d is a 60wt%: 40wt% ethanol / water mixture. At room temperature this hydrogel is 4d unswollen. The pump chamber 7 is filled with the process medium to be pumped. To make a material flow towards an exit 10 To be able to generate, the pump chamber must 7 first at the entrance 11 be closed. This is the first heating element 6 operated, so that the phase transition temperature of the hydrogel is exceeded, the hydrogel 4c swells and by deflection of the membrane 3 the entrance 11 closes ( 4a ). Then the heating elements 6 sequentially towards the exit 10 pressed, leaving the pump chamber 7 by the progressively swelling hydrogel 4c and the corresponding deflected membrane 3 towards the exit 10 is emptied ( 4b ).

Die in 4c und in 4d dargestellte Speichereinheit beruht z. B. auf dem chemisch vernetzten Hydrogel PNIPAAm. Die Speichereinheit kann durch Quellung des Hydrogelelements 4c in einem zu speichernden Prozessmedium beladen werden. Wird das gequollene Hydrogelelement 4c (4c) durch die Heizstruktur 6 über seine Phasenübergangstemperatur von ca. 33°C erwärmt, entquillt es (4d) und setzt einen Wirkstoff 12 in eine Kanalstruktur 13 des Kanalstrukturträgers 1 frei. Der Aufbau von 4c und 4d kann auch zum Realisieren einer Ventilfunktion genutzt werden. Bei Raumtemperatur ist das PNIPAAm-Element 4c bis an die Abdeckung 9 gequollen und verschließt den Ventilsitz vollständig. Durch Beheizen mit dem Heizelement 6 über die Phasenübergangstemperatur entquillt es, so dass sich der Ventilsitz öffnet.In the 4c and in 4d shown storage unit is based z. On the chemically cross-linked hydrogel PNIPAAm. The storage unit can by swelling of the hydrogel element 4c be loaded in a process medium to be stored. Will the swollen hydrogel element 4c ( 4c ) through the heating structure 6 heated above its phase transition temperature of about 33 ° C, it ( 4d ) and puts an active ingredient 12 in a canal structure 13 of the channel structure carrier 1 free. The construction of 4c and 4d can also be used to realize a valve function. At room temperature, this is the PNIPAAm element 4c to the cover 9 swelled and completely closes the valve seat. By heating with the heating element 6 It swells over the phase transition temperature, so that the valve seat opens.

4e und 4f zeigen ein temperaturaktivierbares Gelierelement zum Einschließen von Partikeln 14. In der Kanalstruktur 13 befindet sich neben den Partikeln 14 eine gelierfähige Lösung 4e. Wird die partikelhaltige Lösung durch ein Peltierelement 6 auf eine Temperatur unterhalb einer Gelbildungstemperatur abgekühlt, so verfestigt sich die Lösung 4e zu einem Gel 4f, so dass die Partikel 14 durch Einschluss örtlich fixiert sind. Zum Freisetzen der Partikel 14 kann das Gel 4f durch Überschreiten der Gelbildungstemperatur wieder aufgelöst werden. Die Gelbildungstemperaturen lassen sich durch entsprechende Wahl der Gelatine bzw. des Polysaccharides zwischen etwa 30°C und 95°C einstellen. 4e and 4f show a temperature-activatable gelling element for enclosing particles 14 , In the canal structure 13 is located next to the particles 14 a gelable solution 4e , If the particle-containing solution by a Peltier element 6 cooled to a temperature below a gelation temperature, the solution solidifies 4e to a gel 4f so that the particles 14 are locally fixed by inclusion. To release the particles 14 can the gel 4f be resolved again by exceeding the gelation temperature. The gelation temperatures can be adjusted by appropriate choice of gelatin or polysaccharide between about 30 ° C and 95 ° C.

Das temperaturaktivierbare Ventil auf Basis eines physikalisch vernetzten Hydrogels nach den 4g und 4h kann beispielsweise ein in die Kanalstruktur 13 des Kanalstrukturträgers 1 eingelagertes Hydrogel-Ventil 19a19c nach 1a sein. Um eine Befüllung der Reaktionseinheiten 17a17c (1a) mit dem Prozessmedium zu gewährleisten, müssen die Hydrogel-Ventile 19a19c zunächst geöffnet sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Hydrogel-Ventile 19a19c zunächst im trockenen oder angefeuchteten Zustand vorliegen. Sind die Reaktionskammern 17a17c gefüllt, wird das Prozessmedium zum Ausgang streben und dabei den Ventilsitz erreichen. Das Hydrogel 4f (4g) fängt an zu quellen und die Hydrogel-Ventile 19a19c verschließen die Kanäle 13 (4g, 4h). Zum Öffnen wird das Hydrogel 4f (4g) über seine Geliertemperatur erwärmt, so dass es sich auflöst (Hydrogelzustand 4g in 4h) und das jeweilige Ventil 19a19c (1a) geöffnet ist.The temperature-activated valve based on a physically cross-linked hydrogel according to 4g and 4h For example, one may be in the channel structure 13 of the channel structure carrier 1 embedded hydrogel valve 19a - 19c to 1a be. To a filling of the reaction units 17a - 17c ( 1a ) to ensure with the process medium, the hydrogel valves need 19a - 19c be open at first. This can be achieved by using the hydrogel valves 19a - 19c initially in a dry or moistened state. Are the reaction chambers 17a - 17c filled, the process medium will aspire to the output and thereby reach the valve seat. The hydrogel 4f ( 4g ) begins swelling and the hydrogel valves 19a - 19c close the channels 13 ( 4g . 4h ). The hydrogel opens to open 4f ( 4g ) is heated above its gelling temperature so that it dissolves (hydrogel state 4g in 4h ) and the respective valve 19a - 19c ( 1a ) is open.

5 zeigt das Schaltbild eines LOC-Aufbaus für biochemische und medizinische Standardanwendungen, die auf Polymerasekettenreaktionen (PCR – polymerase chain reaction) beruhen. Für die Polymerasekettenreaktion wird ein Mastermix, eine Templat-DNA für die Kontrollreaktion (Templat-DNA1) und eine Templat-DNA für die eigentliche PCR-Reaktion (Templat-DNA2) vorgelegt. 5 shows the circuit diagram of a LOC structure for standard biochemical and medical applications based on polymerase chain reaction (PCR). For the polymerase chain reaction, a master mix, a template DNA for the control reaction (template DNA1) and a template DNA for the actual PCR reaction (template DNA2) are presented.

Der Mastermix kann beispielsweise folgende Zusammensetzung besitzen:

  • – 4 μl 10 × Puffer mit 25 mM MgSO4 (10 × Pfu-Polymerasereaktionspuffer, Fermentas Life Science)
  • – 0,2 μl Forward Primer (FP) Endkonzentration 1 μM
  • – 0,2 μl Reverse Primer (RP) Endkonzentration 1 μM
  • – 3,2 μl dNTP (Desoxyribonucleosid Triphosphat Mischung; Fermentas Life Science) Endkonzentration 0,4 mM each
  • – 0,8 μl Pfu-DNA-Polymerase (2,5 U/μl; Fermentas Life Science) und 11,6 μl H2O (molecular biology grade).
The master mix may, for example, have the following composition:
  • - 4 μl of 10 × buffer with 25 mM MgSO 4 (10 × Pfu polymerase reaction buffer, Fermentas Life Science)
  • - 0.2 μl forward primer (FP) final concentration 1 μM
  • - 0.2 μl reverse primer (RP) final concentration 1 μM
  • - 3.2 μl dNTP (deoxyribonucleoside triphosphate mixture; Fermentas Life Science) final concentration 0.4 mM each
  • - 0.8 μl of Pfu DNA polymerase (2.5 U / μl, Fermentas Life Science) and 11.6 μl of 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, the volume information for the master mix is multiplied by the number of applications. The prepared master mix can be stored in a refrigerated storage vessel (4 ° C) outside the LOC. The same applies to the template DNA's.

Die Hydrogel-Pumpen 15b und 15c werden mit jeweils 10 μl eines Mastermixes beladen. In Hydrogel-Pumpe 15a befinden sich 10 μl Templat-DNA1 (Plasmid, ca. 100 ng in H2O – molecular biology grade) für die PCR-Kontrollreaktion. Hydrogel-Pumpe 15d enthält 10 μl Templat-DNA2 (Plasmid, ca. 100 ng in H2O – molecular biology grade) für die PCR-Reaktion.The hydrogel pumps 15b and 15c are loaded with 10 μl each of a master mix. In hydrogel pump 15a There are 10 μl of template DNA1 (plasmid, about 100 ng in H 2 O - molecular biology grade) for the PCR control reaction. Hydrogel pump 15d contains 10 μl of template DNA2 (plasmid, ca. 100 ng in H 2 O - molecular biology grade) for the PCR reaction.

Durch gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen 15a, 15b, 15c, 15d werden 10 μl Mastermix mit 10 μl Templat-DNA1 (Hydrogel-Pumpe 15a mit Hydrogel-Pumpe 15b) und 10 μl Mastermix mit 10 μl Templat-DNA2 (Hydrogel-Pumpe 15c mit Hydrogel-Pumpe 15d) durch die Mischmäander 18a und 18b gemischt und nach dem Öffnen der Hydrogel-Ventile 19a und 19b zu PCR-Kammern 20a bzw. 20b transportiert. In den Kammern 20a und 20b finden die Polymerasekettenreaktionen statt, wobei die Temperaturprogramme von einem externen Thermocycler realisiert werden können. Ein mögliches PCR-Temperaturprogramm kann wie folgt ablaufen:

  • – 5 min bei 94°C (initiale Templat-Denaturierung)
  • – 30 Zyklen mit jeweils 30 s bei 94°C (Templat-Denaturierung) und 30 s bei 55°C (Primer-Annealing)
  • – 4 min bei 72°C (Primer-Elongation).
By simultaneously pumping the hydrogel pumps 15a . 15b . 15c . 15d Add 10 μL of master mix with 10 μL of template DNA1 (hydrogel pump 15a with hydrogel pump 15b ) and 10 μl of master mix with 10 μl template DNA2 (hydrogel pump 15c with hydrogel pump 15d ) through the meanders 18a and 18b mixed and after opening the hydrogel valves 19a and 19b to PCR chambers 20a respectively. 20b transported. In the chambers 20a and 20b The polymerase chain reactions take place, whereby the temperature programs can be realized by an external thermocycler. A possible PCR temperature program can proceed as follows:
  • - 5 min at 94 ° C (initial template denaturation)
  • 30 cycles at 94 ° C for 30 s each (template denaturation) and 30 s at 55 ° C (primer annealing)
  • - 4 min at 72 ° C (primer elongation).

Abschließend erfolgt eine Inkubation von 5 min bei 72°C zum vervollständigen der Primer-Elongation.Finally, an incubation of 5 min at 72 ° C to complete the primer elongation.

Nach der PCR werden durch gleichzeitiges Pumpen der Hydrogel-Pumpen 15a15d und Öffnen der Hydrogel-Ventile 19c und 19d die PCR-Produkte in Gel-Elektrophoresekammern 21a, 21b (meist Agarosegelelektrophorese) transportiert, wobei auf das Gel von der Gel-Elektrophoresekammer 21a die PCR-Produkte der Kontrollreaktion und auf das Gel von der Gel-Elektrophoresekammer 21b die PCR-Produkte der eigentlichen PCR aufgetragen werden.After the PCR, by simultaneously pumping the hydrogel pumps 15a - 15d and opening the hydrogel valves 19c and 19d the PCR products in gel electrophoresis chambers 21a . 21b (usually agarose gel electrophoresis), taking on the gel from the gel electrophoresis chamber 21a the PCR products of the control reaction and on the gel from the gel electrophoresis chamber 21b the PCR products are applied to the actual PCR.

Wahlweise können die PCR-Produkte auch an dem Ausgang 10a bzw. Ausgang 10b zur externen Weiterverarbeitung entnommen werden.Optionally, the PCR products can also be at the exit 10a or exit 10b for external processing.

Durch Anlegen einer Spannung (Feldstärke 10 V/cm) werden die PCR-Produkte in den Gel-Elektrophoresekammer 21a bzw. 21b elektrophoretisch getrennt und können an dem Ausgang 10c bzw. Ausgang 10d z. B. für die externe Fluoreszenzanalyse bereitgestellt werden. 11 bezeichnen wiederum die Eingänge zu den Hydrogel-Pumpenkammern 15a15d.By applying a voltage (field strength 10 V / cm), the PCR products in the gel electrophoresis chamber 21a respectively. 21b separated electrophoretically and can be at the output 10c or exit 10d z. B. are provided for the external fluorescence analysis. 11 again denote the inputs to the hydrogel pump chambers 15a - 15d ,

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 5 empfehlen sich z. B. drei unterschiedliche steuerbare lokale Abschnitte. Der erste Bereich umfasst die Hydrogel-Pumpen 15a, 15b, 15c, 15d sowie die Hydrogel-Ventile 19a, 19b, der zweite Bereich die PCR-Kammern 20a, 20b, der dritte Bereich die Hydrogel-Ventile 19c, 19d. Das zeitliche Verhalten der hydrogelbasierten Einzelelemente lässt sich auch durch entsprechende Festlegung von deren Aktivierungstemperaturen bestimmen. Bei steigender Temperatur werden zunächst die Elemente mit den niedrigsten Aktivierungstemperaturen aktiviert, zum Schluss jene Elemente mit den höchsten Aktivierungstemperaturen. Zum Verbessern der Wärmeübertragung können die zu erwärmenden Bereiche so gestaltet sein, dass sie über eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit verfügen. Dies ist z. B. durch Verringerung der Materialstärken, aber auch durch Einsatz von Materialien mit entsprechenden Wärmeleiteigenschaften zu erreichen.The temperature control of the LOC need not necessarily be done with an integrated electrical-resistive or light-based control. It is also possible to control the LOC in their process flow by external devices into which they are incorporated in whole or in part. Such devices may be, for example, correspondingly modified PCR thermal devices, thermostats, thermal cyclers, thermal cabinets, or thermal baths capable of realizing given temperature programs. The microfluidic processor can be holistically subjected to the temperature program. However, the heating can also take place locally at certain sections of the LOC and in a specific chronological order. The local sections conveniently comprise elements that are to be operated simultaneously. For the layout after 5 recommend z. B. three different controllable local sections. The first area includes the hydrogel pumps 15a . 15b . 15c . 15d as well as the hydrogel valves 19a . 19b , the second area the PCR chambers 20a . 20b , the third area the hydrogel valves 19c . 19d , The temporal behavior of Hydrogelbasierten individual elements can also be determined by appropriate determination of their activation temperatures. When the temperature rises, the elements with the lowest activation temperatures are activated, finally those elements with the highest activation temperatures. To improve heat transfer, the areas to be heated may be designed to have improved thermal conductivity. This is z. B. by reducing the material thicknesses, but also by using materials with appropriate heat conduction properties.

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 adapting the mastermix composition (several primers) and the template DNA (sample DNA), this basic structure can be transferred to a variety of DNA analysis methods. There are all applications, eg. B. DNA fingerprint (paternity test), virus analysis u. a, based on the principle of PCR-DNA analysis, realizable 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 5 beschriebene Aufbau mit einer one-step RT-PCR-Methode Verwendung finden.By adapting the architecture (eg additional pumps, mixing chambers, reaction chambers, etc.) even more complex processes, such as those required for reverse transcriptase PCR (RT-PCR), can be realized on an LOC. For this, only an RT master mix has to be put together and another temperature program has to be integrated before the PCR (two-step RT-PCR method). Alternatively, of course, the in 5 described structure using a one-step RT-PCR method use.

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 Trans kriptasepuffer.
The basic composition of an RT master mix for a two-step RT-PCR method shows the following example:
  • 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.

Die cDNA-Synthese findet bei 37°C bis 50°C statt.The cDNA synthesis takes place at 37 ° C to 50 ° C.

Weitere Anwendungsgebiete der ErfindungFurther fields of application of 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 can be realized on one LOC. 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 field of biotechnology they are, for example, for the enzyme reactor or bioreactor monitoring u. a. suitable for prokaryotes, eukaryotes, yeasts and fungi. As an online, continuous or one-time measurement (also for single use), a rapid screening of the activity of enzymes of different enzyme classes can be realized. By combining several LOCs, multi-rapid screening can be enabled. The online expression level control as well as the online tracking of growth curves and growth factors, also in addition to or combination with flow cytometry, can be carried out with the LOC according to the invention.

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 environmental or water analysis can be z. B. Microorganism analyzes by identifying and assigning an activity profile, but also rapid tests to determine the water quality [CSB (chemical oxygen demand), BOD (biological oxygen demand), heavy metals, nitrate, nitrite, etc.] realize.

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 field of medical technology, the LOC technology according to the invention can be used, for example, for on-line cell culture monitoring (eukaryotes, human cell lines and the like) by means of viability tests [eg. B. WST-1 and MTT assay (Conversion of a tetrazolium salt into formazan, e.g., 4- [3- (4-iodophenyl) -2- (4-nitrophenyl) -2H-5-tetrazolium] -1,3 -Benzendisulfonat) or LDH test (lactate dehydrogenase test)] etc. use.

Damit ist eine Zellgüte-, Chargen- und Passagenkontrolle für humane Zelllinien u. a. möglich.This is a cell quality, batch and passage control for human cell lines u. a. 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 a part of the most important blood parameters, z. As blood sugar, pH, lactate, minerals, creatine, hormones, enzymes, leukocytes, erythrocytes u. a., disease marker, the detection of reactive-oxigen-toxic substances (ROTS-oxidative stress) u. s. w. are feasible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

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 a hydrogel pump
4b4b
Hydrogelelement b für ein Hydrogel-VentilHydrogel element b for a hydrogel valve
4c4c
gequollenes Hydrogelelementswollen hydrogel element
4d4d
entquollenes Hydrogelelementdeswollen hydrogel element
4e4e
vernetzbare Polymerlösungcrosslinkable 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 ProzessmediumReleased active ingredient in the process medium
1313
Kanalstrukturchannel structure
1414
Partikelparticle
15a–15d15a-15d
Hydrogel-Pumpen zur FlüssigkeitsaufnahmeHydrogel pumps for fluid intake
16a–16f16a-16f
Hydrogel-Pumpen zur Variation von MischverhältnissenHydrogel pumps for varying mixing ratios
172–17c172-17c
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

Claims (12)

Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten steuerbaren Elementen zur Handhabung von Prozessmedien, mit auf temperatursensitiven Hydrogelen (4a4g) basierenden Elementen (15a15d; 16a16f; 19a19d), deren zur Medienhandhabung relevanten Sensibilitäten sich durch gezielt veränderbare Umgebungstemperatur ändern, wobei die Umgebungstemperatur über elektrische oder elektronikkompatible Schnittstellen (6, 6a, 6b) steuerbar ist und wobei die integrierten Polymernetzwerk-basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) hardwaremäßig in einer logischen Grundkonfiguration zusammengeschaltet sind und über die Schnittstellen (6, 6a, 6b) durch ein übergeordnetes System kontrollierbar sind, gekennzeichnet durch mindestens eine fluidische Mischeinheit, welche über ausgangsseitig zusammengeschaltete Hydrogelaktor-basierte Pumpen (15a15d; 16a16f) verfügt, die für verschiedene Prozessmedien Mischungsverhältnisse herstellen, die durch die jeweiligen Volumina der Pumpenkammern (7) der Pumpen (15a15d) konstruktiv vorgebbar sind und die entstandene Mischung in Reaktions- oder Analyseeinheiten (17a17c; 20a, 20b) befördern.Microfluidic processor with integrated controllable elements for handling process media, with temperature-sensitive hydrogels ( 4a - 4g ) based elements ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ), whose media handling relevant sensitivities change as a result of a specifically changeable ambient temperature, whereby the ambient temperature is controlled by electrical or electronically compatible interfaces ( 6 . 6a . 6b ) and the integrated polymer network-based elements ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) are interconnected in a logical basic configuration in terms of hardware and via the interfaces ( 6 . 6a . 6b ) can be controlled by a higher-level system, characterized by at least one fluidic mixing unit, which is connected via outlet-side connected hydrogel actuator-based pumps ( 15a - 15d ; 16a - 16f ), which produce mixing ratios for different process media, which are determined by the respective volumes of the pump chambers ( 7 ) of the pumps ( 15a - 15d ) are constructively specifiable and the resulting mixture in reaction or analysis units ( 17a - 17c ; 20a . 20b ). Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten steuerbaren Elementen zur Handhabung von Prozessmedien, mit auf temperatursensitiven Hydrogelen (4a4g) basierenden Elementen (15a15d; 16a16f; 19a19d), deren zur Medienhandhabung relevanten Sensibilitäten sich durch gezielt veränderbare Umgebungstemperatur ändern, wobei die Umgebungstemperatur über elektrische oder elektronikkompatible Schnittstellen (6, 6a, 6b) steuerbar ist und wobei die integrierten Polymernetzwerk-basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) hardwaremäßig in einer logischen Grundkonfiguration zusammengeschaltet sind und über die Schnittstellen (6, 6a, 6b) durch ein übergeordnetes System kontrollierbar sind, gekennzeichnet durch mindestens zwei erste fluidische Mischeinheiten, welche über ausgangsseitig zusammengeschaltete Hydrogelaktor-basierte Pumpen (15a15d) verfügen, die für verschiedene Prozessmedien Mischungsverhältnisse herstellen, die durch die jeweiligen Volumina der Pumpenkammern (7) der Pumpen (15a15d) konstruktiv vorgebbar sind und die entstandenen Mischungen weiteren Hydrogelaktor-basierten Pumpen (16a16f) vorlegen, wobei mindestens zwei dieser weiteren Hydrogelaktor-basierten Pumpen (16a16f) zu einer weiteren Mischeinheit ausgangsseitig zusammengeschlossen sind und die Mischungsverhältnisse ebenfalls durch die jeweiligen Volumina der Pumpenkammern (7) der Pumpen (16a16f) vorgebbar sind und die entstandene Mischung über Ausgänge (10, 10a10d) bereitgestellt wird oder in Analyse- oder Reaktionseinheiten (17a17c; 20a, 20b) befördert wird.Microfluidic processor with integrated controllable elements for handling process media, with temperature-sensitive hydrogels ( 4a - 4g ) based elements ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ), whose media handling relevant sensitivities change as a result of a specifically changeable ambient temperature, whereby the ambient temperature is controlled by electrical or electronically compatible interfaces ( 6 . 6a . 6b ) and the integrated polymer network-based elements ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) are interconnected in a logical basic configuration in terms of hardware and via the interfaces ( 6 . 6a . 6b ) can be controlled by a superordinated system, characterized by at least two first fluidic mixing units, which are connected via output side connected hydrogel actuator-based pumps ( 15a - 15d ), which produce mixing ratios for different process media, which are determined by the respective volumes of the pump chambers ( 7 ) of the pumps ( 15a - 15d ) can be specified constructively and the resulting mixtures of further hydrogel-actuator-based pumps ( 16a - 16f ), wherein at least two of these further hydrogel-actuator-based pumps ( 16a - 16f ) are combined on the output side to form a further mixing unit, and the mixing ratios are likewise determined by the respective volumes of the pump chambers ( 7 ) of the pumps ( 16a - 16f ) can be specified and the resulting mixture via outputs ( 10 . 10a - 10d ) or in analysis or reaction units ( 17a - 17c ; 20a . 20b ). Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische oder elektronikkompatible Schnittstelle (6, 6a, 6b) eine thermisch-elektrische Schnittstelle ist, welche die elektrischen Größen durch resistive Heizwiderstände, Peltierelemente, Licht- oder Strahlungseinwirkung in Wärme umwandelt.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical or electronics-compatible interface ( 6 . 6a . 6b ) is a thermal-electrical interface, which converts the electrical variables by heat resistive resistors, Peltier elements, light or radiation into heat. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf temperatursensitiven Hydrogelen basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) aus chemisch vernetzten, temperatursensitiven Hydrogelen mit Lower Critical Solution Temperature – Charakteristik bestehen, insbesondere Hydrogele auf Basis von N-Isopropylacrylamid und Poly(Methylvinylether).Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized in that the elements based on temperature-sensitive hydrogels ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) consist of chemically cross-linked, temperature-sensitive hydrogels with a Lower Critical Solution Temperature characteristic, in particular hydrogels based on N-isopropylacrylamide and poly (methyl vinyl ether). Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf temperatursensitiven Hydrogelen basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) aus chemisch vernetzten temperatursensitiven Hydrogelen mit Upper Critical Solution Temperature – Charakteristik bestehen, insbesondere Hydrogele auf Basis von Hydroxyethyl Methacrylat und Acetoacetoxyethyl Methacrylat.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized in that the elements based on temperature-sensitive hydrogels ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) consist of chemically cross-linked temperature-sensitive hydrogels with upper critical solution temperature characteristics, in particular hydrogels based on hydroxyethyl methacrylate and acetoacetoxyethyl methacrylate. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf temperatursensitiven Hydrogelen basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) aus physikalisch vernetzten Hydrogelen oder Polymerlösungen bestehen, die durch Änderungen der Temperatur gelieren oder sich auflösen, insbesondere Gelatinen oder Polysaccharide wie Pektin und Agarose.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized in that the elements based on temperature-sensitive hydrogels ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) consist of physically crosslinked hydrogels or polymer solutions which gel or dissolve by changes in temperature, in particular gelatins or polysaccharides such as pectin and agarose. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Sandwich-Aufbau mit mindestens einem Kanalstrukturträger (1), einem Aktorstrukturträger (2), einer flexiblen Membran (3) und einem Strukturträger (5) für eine elektrische Ansteuerung (6, 6a, 6b).Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized by a sandwich construction with at least one channel structure carrier ( 1 ), an actuator structure carrier ( 2 ), a flexible membrane ( 3 ) and a structural support ( 5 ) for an electrical control ( 6 . 6a . 6b ). Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Sandwich-Aufbau mit mindestens einem Kanalstrukturträger (1), einem Aktorstrukturträger (2), einer flexiblen Membran (3) und einem Strukturträger (5) für eine elektrische Ansteuerung (6, 6a, 6b), wobei sich die auf temperaturempfindlichen Hydrogelen basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) im Wesentlichen in dem Aktorstrukturträger (2) befinden.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized by a sandwich construction with at least one channel structure carrier ( 1 ), an actuator structure carrier ( 2 ), a flexible membrane ( 3 ) and a structural support ( 5 ) for an electrical control ( 6 . 6a . 6b ), the elements based on temperature-sensitive hydrogels ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) substantially in the actuator structure carrier ( 2 ) are located. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Sandwich-Aufbau mit mindestens einem Kanalstrukturträger (1), einem Strukturträger (5) für eine elektrische Ansteuerung (6, 6a, 6b) und einer Abdeckung (9) mit einem flexiblen Bereich (9a), wobei die auf temperaturempfindlichen Hydrogelen basierten Elemente (15a15d; 16a16f; 19a19d) direkt in Kanälen (1a) des Kanalstrukturträgers (1) platziert sind.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized by a sandwich construction with at least one channel structure carrier ( 1 ), a structural support ( 5 ) for an electrical control ( 6 . 6a . 6b ) and a cover ( 9 ) with a flexible area ( 9a ), the elements based on temperature-sensitive hydrogels ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) directly in channels ( 1a ) of the channel structure carrier ( 1 ) are placed. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Sandwich-Aufbau, welcher mindestens einen Kanalstrukturträger (1), eine Abdeckung (9) und einen Strukturträger (5) für eine elektrische Ansteuerung (6, 6a, 6b) besitzt, wobei in den Kanalstrukturträger (1) oder in die Abdeckung (9) die elektrische Ansteuerstruktur (6, 6a, 6b) integriert ist.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized by a sandwich construction, which comprises at least one channel structure carrier ( 1 ), a cover ( 9 ) and a structural support ( 5 ) for an electrical control ( 6 . 6a . 6b ), wherein in the channel structure carrier ( 1 ) or in the cover ( 9 ) the electrical drive structure ( 6 . 6a . 6b ) is integrated. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf temperatursensitiven Hydrogelen (4a4g) basierenden Elementen (15a15d; 16a16f; 19a19d) über zumindest teilweise verschiedene Schalt- bzw. Aktivierungstemperaturen verfügen.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature-sensitive hydrogels ( 4a - 4g ) based elements ( 15a - 15d ; 16a - 16f ; 19a - 19d ) have at least partially different switching or activation temperatures. Mikrofluidik-Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidik-Prozessor durch externe Geräte, wie Thermostat, Thermocycler, Wärmeschrank oder Wärmebad, ganzheitlich oder an bestimmten Abschnitten sein Verhalten steuernde Temperaturprogrammen aussetzbar ist.Microfluidic processor according to claim 1 or 2, characterized in that the microfluidic processor by external devices, such as thermostat, thermal cycler, oven or heat bath, holistic or at certain sections its behavior controlling temperature programs can be suspended.
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