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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Transport mikrofluidischer Proben und insbesondere
auf eine Geschwindigkeits- und Temperaturregelung eines elektrohydrodynamischen
Flusses zum Transport von mikrofluidischen Proben beispielsweise
auf einem Lab-on-a-Chip.
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Biochips
spielen heutzutage eine bedeutende wirtschaftliche Rolle und gehören
zu den technologischen Errungenschaften der jüngsten Zeit.
Das Interesse an Biochips beruht insbesondere auch auf der Möglichkeit
einer außergewöhnlichen Interdisziplinarität,
beispielsweise zwischen der Mikroelektronik, Mikromechanik, Nanotechnologie
und der modernen Biowissenschaften. Eine Klasse der Biochips umfasst
die sogenannten Lab-On-A-Chip-Systeme (LOC-Systeme), die Geräte
umfassen, die im Mikromaßstab gefertigt sind und für
verschiedene Arten von chemischen und zellulären Analysen
geeignet sind. Die LOCs können als Mikrofluidik, die auf
ein Netz von Mikrokanälen basiert, oder als Mikroarray,
beispielsweise ähnlich einem Mikrotiter lochblech-artigem
Format, klassifiziert werden. Eine dritte Art von LOCs benutzt mikromechanische
Strukturen als Mikroreaktor für eine chemische Synthese.
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Eine
treibende Kraft für LOCs war der Bedarf der kombinatorischen
Chemie die Medikamentenentwicklung billiger und schneller zu machen,
wie es beispielsweise in Frost und Sullivan, "Lab-On-A-Chip: The Revolution
in Portable In strumentation – 4th Edition",
2002, D229 dargestellt ist. Die Miniaturisierung spielt dabei eine
herausragende Rolle, wobei als ein erster Schritt ein Mikroarray,
auf dem zahlreiche verschiedene Proben gleichzeitig untersucht werden
können, verwendet wurde. Damit lässt sich jedoch
nur der „Untersuchungsraum" bereitstellen. Die Biologen
beschäftigt jedoch unter anderem die Frage, wie verschiedene
Moleküle oder Zellen verschoben, getrennt, mit anderen
gemischt und die Ergebnisse sichtbar gemacht werden können.
Ein Ziel der gesamten allgemeinen LOC-Entwicklung ist somit ein
sogenanntes Mikro-Total-Analyse-System (μ-TAS), das alle
Laborfunktionen von der Probenmischung über Reaktionskammer
und Transport bis zu einer Detektion des Endproduktes vereint. Eine
Antwort auf diese Entwicklung ist die Mikrofluidik.
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LOCs,
die nicht auf Array-Basis arbeiten, prozessieren im allgemeinen
Flüssigkeiten, die sich beispielsweise von einem Ort auf
dem Analysator (oder Synthetisierer) zu einem anderen Ort leiten.
Mikrofluidische Apparate weisen beispielsweise Pumpen, Ventile und
Kanäle auf und können als Glas- oder Plastikchip ausgestaltet
sein. Die Chips können dabei entweder wahlweise oder in
Kombination Druck, Elektroosmose, Elektrowetting, Elektrophorese
oder andere Mittel (Kapillarkraft zum Beispiel) nutzen, um Proben
durch ein Netz von mikroskopischen Kanälen und Behältern
zu bewegen. Bisher ist jedoch der Integrationsgrad noch nicht allzu
hoch und es besteht ein dringender Bedarf, diesen weiter zu verbessern.
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Ein
Hauptproblem bleibt nach wie vor der Flüssigkeitstransport
auf dem Chip. Die heute verfügbaren Systeme mit mikromechanischen
Pumpen werden schnell unübersichtlich, beispielsweise in
Folge einer Vielzahl von Schläuchen und Ven tilen, sind
meist sehr anfällig für Leckagen und ihre Herstellung
ist in der Regel sehr aufwendig. Einfacher wären sogenannte
dynamische Mikropumpen, bei denen eine direkte Energieumwandlung
in Flüssigkeitsbewegung erfolgt. Hierzu gehören
beispielsweise elektrohydrodynamische oder magnetohydrodynamische
Pumpen, die einfach herstellbar, in ihren Eigenschaften jedoch abhängig
von den zu befördernden Flüssigkeiten sind. Erfolge
wurden in letzter Zeit mit elektroosmotischen Pumpen erzielt. Sie
basieren auf der Elektroosmose, die ein makroskopisches Phänomen
ist, welches von einer elektrischen Doppelschicht herrührt
und durch Ionen in der Flüssigkeit und durch elektrische
Oberflächenladungen in den Kapillarwänden verursacht
wird. Wenn ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden angelegt
wird, strömt die Flüssigkeit von der einen zur
anderen Elektrode, wobei die Kationen zur Kathode wandern und dabei
die Flüssigkeit mit sich bewegen (oder mit sich reißen).
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Probleme
existierender elektroosmotischer Systeme sind nun einerseits die
Kontrolle des Flusses, der von einer Vielzahl von Parametern abhängig
ist, als auch die Kontrolle der Temperatur, die wiederum von dem angelegten
Feld und damit vom Fluss abhängig ist. Unter ungünstigen
Umständen kann dabei die Probenflüssigkeit, die
beispielsweise nur Mikro- oder Pikoliter umfasst, entweder erheblich
verdunsten oder gar ganz verdampfen.
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Zusammenfassend
kann gesagt werden, dass in heutigen mikrofluidischen Systemen zur
Beförderung von Flüssigkeiten in Mikrokanälen
Dosierpumpen oder mikromechanisch hergestellte Mikropumpen verwendet werden.
Mikropumpen sind insbesondere dahingehend attraktiv, da sie der
Miniaturisierung und dem hohen Grad der Systemintegrierung entgegenkom men.
Typischerweise besitzen jedoch mechanische Mikropumpen Ventile und
eine oder mehrere Membranen, die piezoelektrisch, elektrisch oder
thermopneumatisch angetrieben werden. Solche Mikropumpen sind bekannt,
sind allerdings hinsichtlich der hohen Kosten und Zuverlässigkeitsproblemen
nachteilig. Nicht-mechanische Mikropumpen werden andererseits beispielsweise
in Daniel J. Laser: „Desing, Fabrication, and Application
and Silicon Electroosmotic Micropumps", Dissertation, Stanford University,
June 2005 untersucht.
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Elektroosmotische
Pumpen oder Elektrowetting sind von besonderem Interesse, da sie
auf alle Flüssigkeiten, die Ionen oder polarisierbare Moleküle
aufweisen, angewendet werden können. Bekannte Untersuchungen
beschränken sich weitestgehend auf die Realisierung von
Mikropumpen und Aspekte, wie beispielsweise die Flussüberwachung
oder die Steuerungen, bleiben ebenso wie Fragestellungen bezüglich
einer Systemintegration weitestgehend unberücksichtigt.
Für eine Realisierung von LOC-Systemen sind Antworten auf diese
Fragestellungen jedoch unerlässlich. Bekannte Analysegeräte
nutzen die Elektrophorese für eine Trennung von Teilchen
oder Partikeln und die Elektroosmose tritt dabei nur als eine Nebenerscheinung
auf. Phänomene der Elektroosmose und ihre Anwendungsmöglichkeiten
innerhalb eines LOC werden wirtschaftlich gegenwärtig kaum
genutzt. Veröffentlichungen finden sich unter anderem in:
Todd
M. Squires, Martin Z. Bazant: "Induced-charge electro-osmosis";
Journal of Fluid Mechanics, 2004, vol. 509, pp. 217–252);
Gonzalez,
A. Ramos, A. Castellanos, "Pumping of Liquids Using Travelling Wave
Electro-Osmosis: A Nonlinear Analysis," Proc. 2005 IEEE International
Conference an Dielectric Liquids, pp. 221–224;
Martin
Z. Bazant, Todd M. Squires, "Induced-Charge Electrokinetic Phenomena:
Theory and Microfluidic Applications"; Physical Review Letters,
volume 92, number 6, 2004;
Jie Wu, "Biased AC Electro-Osmosis
for On-Chip Bioparticle Processing", IEEE Transactions an Nanotechnology,
vo. 5, no. 2, March 2006;
D. J. Laser, J. G. Santiago, „A
review of micropumps"; Journal of Micromechanics and Microengineering,
Vol 14, 2004, R35–R64;
Peter Woias, "Micropumps – past,
Progress and future prospects", Sensors and Actuators B 105, 2005,
pp. 28–38; Frost und Sullivan: „Lab an a Chip – Advances
an Microfluidics"; 2004, D323 und die oben genannte Referenz
von
D. J. Laser. Weitere Details zum Elektrowetting sind
in: Frieder Mugele, Jean-Christophe Garet, "Electrowetting: from basics
to application", Journal of Physics: Condensed Matter 17 (2005)
R705–R774 veröffentlicht.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport
mikrofluider Proben zu schaffen, die insbesondere einen geschwindigkeits-
und temperaturgeregelten elektrohydrodynamischen Fluss erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 in ein Verfahren gemäß Anspruch 28 oder Anspruch
29 gelöst.
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Der
Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine
Vorrichtung zum geregelten Transport von mikrofluiden Proben mittels
elektrohydrodynamischen Flusses, wie z. B. mittels elektroosmotischen
Flusses (EOF), dadurch geschaffen werden kann, dass innerhalb eines
Substrats mindestens eine Kapillare oder ein Kanal ausgebildet wird,
die an unterschiedlichen Positionen eine erste und zweite Elektrode aufweisen.
Die erste und zweite Elektrode als auch die Kapillare sind dabei
derart ausgebildet, dass bei Anliegen einer Spannung an der ersten
und zweiten Elektrode sich ein elektrisches Feld entlang der Kapillare
ausbildet, so dass die mikrofluide Probe sich von der Posi tion der
ersten Elektrode zur Position der zweiten Elektrode bewegt.
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Ferner
weist die Vorrichtung mindestens einen Sensor auf, der eine Bewegung
der mikrofluidischen Probe erfasst und somit eine Kontrolle des
Transports oder der Ausdehnung der mikrofluidischen Probe erlaubt.
Der Sensor kann beispielsweise ein Photosensor sein, der beispielsweise
eine Zeiterfassung ermöglicht, bei der die mikrofluidische
Probe den Photosensor passiert. Mittels weiterer Photosensoren kann
somit auch eine Geschwindigkeitserfassung der mikrofluidische Proben
durch die Kapillare erfolgen beziehungsweise durch eine Detektion
eines Anfangs und eines Endes einer mikrofluidische Probe, eine
Volumenbestimmung der mikrofluidischen Probe vorgenommen werden
kann (da ein Durchmesser der Kapillare bekannt ist). Es ist ebenfalls
möglich, dass die Photosensoren Teil einer Photozeile sind
bzw. mehrere Photozeilen für die Bewegungserfassung genutzt
werden.
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Ferner
kann bei weiteren Ausführungsbeispielen die Vorrichtung
einen Temperatursensor aufweisen, der eine Temperaturerfassung der
mikrofluidische Proben erlaubt. Darüber hinaus kann die
Vorrichtung zum Transport einen Biosensor aufweisen, der beispielsweise
eine Untersuchung von Inhaltsstoffen oder bio-chemischen Eigenschaften
der mikrofluidischen Probe erlaubt.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen ist die Kapillare mäanderförmig
angeordnet und weist zusätzliche Elektroden auf, so dass
eine oder auch mehrere mikrofluidische Proben sich entlang der mäanderförmigen Struktur
bewegen können. Das Substrat kann beispielsweise Glas aufweisen
oder ein anderes transparentes Medium und kann mit einer Schaltung, Steuerung,
Regelung bzw. Regeleinrichtung verbunden sein, die sich beispielsweise
auf einem Untergrundsubstrat (z. B. ein Halbleitersubstrat mit einer
CMOS-Struktur), auf welches das Substrat angeordnet ist, befinden.
Auf diese Art und Weise können mehrere Kanäle
auf einem Chip mit ein paar Elektroden leicht kontrolliert werden,
so dass viele mechanische Teile entfallen, wie sie beispielsweise
bei den oben beschriebenen elektromechanischen Pumpen erforderlich
wären.
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Durch
eine variable Spannungsregelung der verschiedenen Elektroden ist
es ferner möglich, die Geschwindigkeit der mikrofluidischen
Proben zu beeinflussen beziehungsweise, sofern mehrere Elektroden
vorhanden sind, verschiedene mikrofluidische Proben separat zu beeinflussen.
Beispielsweise kann eine Geschwindigkeit einer einzelnen (mikrofluidische)
Probe in einer Serie von mikrofluidischen Proben in ihrer Geschwindigkeit
geregelt werden, so dass sich ein Mindestabstand zwischen zwei aufeinander
folgenden mikrofluidischen Proben herausbildet. Die Kapillare kann
an ihren Wänden eine Beschichtung aufweisen, beispielsweise
aus einem hydrophilischen Materialien (Polymere) oder auch eine
kovalente Beschichtung aufweisen. Ein Thermoelement kann ferner
zu einer Anpassung der Temperatur genutzt werden und darüber
hinaus kann es vorteilhaft sein, durch Zugabe von Netzmittel oder
organischen Modifizierern die Geschwindigkeit der mikrofluidischen
Proben zu beeinflussen.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt die Elektrohydrodynamik und unterscheidet
sich von bisher kommerziell eingesetzten Systemen, die auf Elektrophorese
basieren und bei denen die Elektroosmose nur als eine Begleiterscheinung
auftrat. Es ist jedoch möglich, die Kanalgeometrie derart
zu wählen, dass die Elektroosmose einen sehr effektiven
Transportme chanismus bietet. So kann die Geometrie der Kanäle/Kapillare
derart ausgelegt werden, dass die Osmose (oder Elektroosmose) effektiv
unterstützt wird und die Elektrophorese nur nebensächlich
wirkt. Damit ist der Weg frei für einen Stofftransport,
der ohne mechanische Teile auskommt.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind neben
dem elektroosmotischen Fluss auch Elektrowetting als treibende elektrohydrodynamische
Kraft vorgesehen. Für das Elektrowetting sind keine Kapillare,
stattdessen können strukturierte und funktionalisierte
Oberflächen genutzt werden. Prinzipbedingt können
dazu mehrere Elektroden genutzt werden – zum Beispiel zusätzliche
Elektroden „von oben". Die Anzahl der Elektroden und die
Anordnung kann dabei entsprechend den Erfordernissen oder Wünschen
gewählt werden. Die Regelung der Elektroden kann nach dem
gleichen Prinzip, wie bei dem EOF funktionieren, d. h. auch hier
kann der elektrohydrodynamische Fluss geregelt werden. Zusätzlich
können in diesem Ausführungsbeispiel noch Elektroden
für eine Oberflächenfunktionalisierung vorgesehen
sein, wodurch sich beispielsweise Oberflächeneigenschaften
(Benetzung, Oberflächenhaftung, Reibung, etc.) durch Potentialdifferenzen
zwischen Elektrodenpärchen gegebenenfalls verändern
und zu Regelungszwecken einsetzen lassen.
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Anders
als bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann
hier von dem mäanderförmiger Weg für
die Probensamples abgesehen werden, sondern eine Art Entscheidungsbaum,
der über die Messergebnisse aus den Biosensoren und damit über
die Regelung bedient wird. Somit kann der Weg oder Pfad einer Probe,
in Abhängigkeit des Messergebnisses an einem der Biosensoren
gewählt werden und ist nicht vorbestimmt. Das hat den Vorteil,
dass beispielsweise eine optimierte Anzahl von Messungen für
eine bestimmte Probe durchgeführt werden und nicht erforderliche
Messungen vermieden werden können. Wie bei dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen, bil den die Photosensoren die Grundlage
der Geschwindigkeitsregelung. Auch die Temperaturregelung kann in
gleicher Art erfolgen.
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Ein
prinzipieller Aufbau eines Analysesystems mit einer Mikrofluidik
und einem elektroosmotischen Fluss (EOF) weist beispielsweise einen
Glaschip mit den Kanälen/Kapillaren und Elektroden auf
und kann beispielsweise auf einem Siliziumchip befestigt sein. Der
Siliziumchip kann die Sensorik, Aktorik und eine übrige Elektronik
aufweisen, wobei beide Chips (der Glaschip und der Siliziumchip)
eine Sandwichstruktur bilden können.
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Die
Kapillare, die in dem beispielhaften Glaschip eingearbeitet sind,
dienen dem Transport der Probenflüssigkeiten mittels der
Elektroosmose. Treibende Kraft sind Elektrodenpaare, über
deren Spannungsabfall die Fluidik angetrieben wird. Die Elektroden
können wahlweise und getrennt angesteuert werden, wobei die
Ansteuerung durch eine Elektronik, die z. B. auf dem darunter liegenden
beispielhaften Siliziumchip integriert sein kann, erfolgt. Dazu
können beispielsweise Durchkontaktierungen vorgenommen
werden und der Siliziumchip kann beispielsweise die komplette Elektronik
aufweisen, wobei es vorteilhaft ist, die Blöcke und insbesondere
die Sensorik und Aktorik derart zu platzieren, dass sie mit der
Lage der Kapillare abgestimmt sind.
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Zu
der Elektronik können dabei insbesondere folgende Bestandteile
zählen:
- 1. Der Teil der Sensorik,
der für die Geschwindigkeits- und Temperaturregelung verantwortlich
ist und die Photosensoren und Temperatursensoren aufweisen kann.
- 2. Eine Sensorsignalverarbeitung (vorzugsweise rauschar m) für
eine Signalaufbereitung der Photo- und Temperatursensoren.
- 3. Die Aktorik, die beispielsweise durch Elektrodenpaare und
einen Temperaturregler gebildet sein kann und zur Regelung des gesamten
Systems dient.
- 4. Eine Benutzerschnittstelle, die eine Programmierung von Sollvorgaben
für eine Regelung zulassen und die ferner eine mögliche
Display-Ansteuerung zur Visualisierung von Daten bereitstellen kann.
- 5. Einen analogen Schaltungsteil, der Referenzen zur Verfügung
stellt, Signale digitalisiert und die Aktorik ansteuert.
- 6. Einen Mikrocontroller, der den gesamten Ablauf steuert.
- 7. Der eigentliche Nutzteil für eine Bioanalyse der
Probe mit Sensorik, Sensorsignalverarbeitung, etc.
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Darüber
hinaus können, sofern es für die konkrete Anwendung
wünschenswert ist, weitere Elemente in die Elektronik integriert
werden.
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Das
bisher beschriebene grundlegende System kann zwei Regelkreise aufweisen:
- a) eine Geschwindigkeitsregung und
- b) eine Temperaturregelung.
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Die
Geschwindigkeitsregelung kann wie folgt vorgenommen werden. Die
Geschwindigkeit v des elektroosmotischen Flusses entspricht:
wobei ε die dielektrische
Konstante, ζ das Zeta-Potential und η die Viskosität
und E die elektrische Feldstärke, die sich bei angelegter
Spannung an den Elektroden entlang der Kapillare herausbildet, darstellt.
Somit kann über die Amplitude des elektrischen Feldes die
Geschwindigkeit des elektroosmotischen Flusses einfach gesteuert
werden und die Erfassung der Geschwindigkeit kann mit Hilfe der
Photosensoren erfolgen. Die Photosensoren, die beispielsweise unterhalb
der beispielhaften transparenten Glaskapillaren platziert sind,
können im jedem Kanal oder auch in jedem Kanalabschnitt
die Geschwindigkeit der einzelnen Probensamples bestimmen. Dabei
können pro Messabschnitt mindestens zwei Photosensoren
platziert werden und die Geschwindigkeit kann mit Hilfe einer Bildverarbeitungselektronik
(z. B. unter Nutzung der CMOS-Technologie) aus einer Differenzrechnung
bestimmt werden – beispielsweise aus einer Zeitdifferenz,
die ein Probensample zum Überwinden der Strecke zwischen
zwei Photosensoren benötigt. Die zwei Photosensoren können
auch Bestandteil einer Photosensorzeile sein. Anschließend
kann ein Vergleich zwischen somit erhaltenen Ist-Werten und von dem
Benutzer eingestellten Soll-Werten erfolgen. Mit der Vorgabe der
Soll-Werte kann der Benutzer zum Beispiel auf unzureichende Ergebnisse
aus der Bioanalyse der Nutzsensoren (Biosensoren) reagieren. Dies
ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe zu schnell den oder
die Biosensoren passiert, so dass die Analyse nicht in der erforderlichen
Qualität erfolgen kann. Andererseits kann aber auch der
Durchsatz erhöht werden und somit eine möglichst
effiziente Nutzung der Anlage erreicht werden. Falls mehrere Samples
durch den Kanal fließen, oder mehrere Kanäle auf
dem Glaschip sind, die sich u. U. auch kreuzen können,
kann ebenfalls regulierend und koordinierend über die Ansteuerung
der jeweiligen Elektrodenpaare eingegriffen werden.
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Nach
dem Soll-Ist-Vergleich werden die Regelgrößen
festgelegt und beispielsweise über einen DAC (Digital-Analog- Konverter)
der Aktorik und somit der Elektrodenansteuerung zugeführt.
Hierbei wird, zum Beispiel über die Amplitude, das elektrische
Feld und damit die Geschwindigkeit des elektroosmotischen Flusses für
jeden Mikrokanal (Abschnitt) eingestellt.
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Ein
zweiter Regelkreis umfasst eine Temperaturregelung, die insbesondere
aus zwei Gründen wünschenswert ist. Der wichtigste
Grund ergibt sich aus einer Verdunstungs- oder Verdampfungsgefahr
der Probensamples, die insbesondere deswegen gegeben ist, da deren
Volumen nur Mikrolitern beziehungsweise Pikolitern betragen kann,
die zwischen zwei Elektroden mit relativ hoher Spannung gezogen
werden. Ein anderer Grund für eine Temperaturregelung ergibt
sich aus dem Einfluss der Temperatur auf die Viskosität
der Probe und damit direkt auf die Geschwindigkeit des elektroosmotischen
Flusses. Die Abhängigkeit der Viskosität von der
Temperatur ist dabei durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
wobei E
A eine
Aktivierungsenergie, R die allgemeine Gaskonstante und T die absolute
Temperatur darstellt. Darüber hinaus ist ebenfalls das
Zeta-Potential von der Temperatur abhängig, allerdings
nicht in dem Maße wie die Viskosität, die exponentiell
von der Temperatur abhängt, stattdessen zeigt das Zeta-Potential
ein potenzartiges Abhängigkeitsverhältnis:
ζ ∝ √T. (3) -
Somit
ist ebenfalls durch das Zeta-Potential eine Abhängigkeit
der Geschwindigkeit von der Temperatur gegeben.
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Ein
Lösungsweg für die Temperaturregelung kann wie
folgt beschrieben werden. Pro Kanal/Kapillare oder Kanalabschnitt
wird ein Temperatursensor oder die transparente Kapillare, beispielsweise
auf dem Siliziumchip platziert. Damit kann die Temperatur direkt
gemessen werden. Da jedoch die Sicherheit über die tatsächliche
absolute Temperatur relativ klein sein kann, lässt sich über
die zuvor für die Geschwindigkeit genutzten Photosensoren
aus einer Messung der Abnahme der geometrischen Probenausdehnung
ein Maß für die Verdunstung ableiten. Da die Probensamples
verhältnismäßig langsam durch die Kapillare
ziehen, kann ihre Ausdehnung genügend genau erfasst werden.
Wenn sich die Ausdehnung verkleinert, bedeutet dies mit hoher Wahrscheinlichkeit
ein Verlust an Flüssigkeit durch Verdunsten. Wenn sich
die Flüssigkeitsprobe (Probensample) durch eine Temperaturabsenkung
(oder auch einer Temperaturerhöhung) in ihrer Längsausdehnung
gemäß ihrem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten ρ ändert,
kann dies direkt durch die Temperaturmessung nachgewiesen und andere
Gründe ausgeschlossen werden. Somit kann auf Verdunstungsgefahr
direkt über die Temperaturregelung reagiert werden. Ähnlich
wie bei der Geschwindigkeitsregelung kann der Benutzer auch hier
wieder eingreifen und Soll-Werte vorgeben, um beispielsweise bei
einem Verletzen solcher Soll-Werte eine Temperaturänderung
(eine Erhöhung oder Verringerung) zu bewirken. Indirekt nimmt
der Benutzer über die Temperatureinstellung auch eine Änderung
der elektroosmotischen Flussgeschwindigkeit in Kauf, die aber wieder-
beispielsweise über die Spannung – ausgeregelt
werden kann. Ähnlich wie bei der Geschwindigkeitsregelung
kann auch bei der Temperaturregelung wieder individuell per Kanal Änderungen
vorgenommen werden. Die Regelgröße aus dem Soll-Ist-Vergleich
wird über einen DAC der Ansteuerelektronik für
das jeweilige Thermoelement zugeführt. Damit ist auch dieser
Regelkreis geschlossen.
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Neben
den bereits genannten Einflussmöglichkeiten auf den elektroosmotischen
Fluss, gibt es noch weitere Variablen oder Parameter, die den elektroosmotischen
Fluss beeinflussen und dementsprechend gemäß Ausführungsbeispielen
ausgenutzt werden können. So sinkt der elektroosmotische
Fluss beispielsweise bei einem niedrigen pH-Wert (Puffer pH-Wert),
da dadurch die Ladung oder Struktur der Probe verän dert
werden kann. Ebenso mindert eine höhere Innenkonzentration
oder Pufferkonzentration das Zeta-Potential und den elektroosmotischen
Fluss (hohe Ströme und Wärme, Probenanlagerung).
Das Zeta-Potential kann ferner durch sogenannte organische Modifizierer
beeinflusst werden. Der elektroosmotische Fluss kann beispielsweise
durch eine Netzmittelzugabe gesteigert werden, die sich an die Kapillarwände über
hydrophobisch und/oder ionische Interaktionen anlagert (anionische
Netzmittel steigern den EOF). Andererseits mindern neutrale elektrophilische
Polymere den elektroosmotischen Fluss durch eine Abschirmung von
Oberflächenladungen und führen zu einer gesteigerten
Viskosität. Dabei kommt es ebenfalls zu Anlagerungen an
Kapillarwänden über hydrophobische Interaktionen.
Schließlich können auch kovalente Beschichtungen
(chemisches Bonden an Kapillarwänden) zu einer Beeinflussung
des elektroosmotischen Flusses führen. Bei den vielen Möglichkeiten sind
hier jedoch Stabilitätsprobleme offen. Die genannten Einflussmöglichkeiten
basieren also darauf, dass Zusätze in die Proben gegeben
werden oder die Kapillarwände beispielsweise mit nanotechnologischen
Methoden an der Oberfläche behandelt werden. Die letzteren
Methoden sind eher statisch, erstere durchaus dynamisch zu handhaben.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vielzahl technischer
Anwendungsgebiete, von denen hier nur einige genannt sein sollen.
Zum einen betrifft es das analytische Equipment im Gesundheitswesen – direkt
am Krankenbett, im Notfallraum, im Ambulanzwagen, Veterinärmedizin, Point-of-Care,
im Kriegsfall auch auf dem Schlachtfeld. Ein weiteres Anwendungsgebiet
umfasst beispielsweise eine Umweltanalyse, Beprobung von Erdreich,
Wasser, Luft oder Monitoringzwecke am Auto oder an Pipelines. Ebenso
sind Anwendungen in Produktionslinien von Nahrungsmitteln, der Chemie,
der Pharmazie, der Kosmetik oder der Biotechnologie möglich.
Weitere Anwendungsfelder bieten sich im Laboratorium an; entweder
im Prozess/Entwicklung oder während experimenteller chemischer
oder biochemischer Transformationen.
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Da
zu einer Beherrschung eines Systems deren Kontrolle unerlässlich
ist, ist die Geschwindigkeits- und Temperaturregelung des Stofftransports
in der Mikrofluidik gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung hinsichtlich vieler Punkte vorteilhaft
und unterscheidet sich somit grundlegend von bisher bekannten Systemen.
Dies umfasst beispielsweise die Multi-Proben-Funktionalität,
die dadurch ermöglicht wird, dass die Geschwindigkeitsregelung
gleichzeitig erlaubt, den Aufenthaltsort der Probe oder mehrerer
Proben innerhalb der Mikrofluidik zu bestimmen. Durch eine einfache
elektronische Logik können dann auch mehrere Proben gleichzeitig
durch das Netzwerk aus frei konfigurierbaren Elektrodenarrays/Entscheidungsbäumen
geleitet werden (sofern sich die unterschiedlichen Proben an verschiedenen
Positionen aufhalten) und eine Kollision kann Dank einer Überwachung
und separaten Steuerung ausgeschlossen werden.
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Da
gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung der elektroosmotische Fluss kontrolliert wird, werden
mikrofluidische Systeme flexibler, viel einsatzfähiger
und kostengünstiger, so dass sie für eine wirtschaftliche
Nutzung an Attraktivität gewinnen. Ausführungsbeispiele
erlauben somit auch eine Programmiermöglichkeit durch einen
Nutzer, die bei konventionellen Systemen nur extrem eingeschränkt
möglich ist. Probleme, wie das Verdunsten oder im schlimmsten
Fall das Verdampfen einer Probe, entfallen damit weitgehend bei
den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
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Ferner
weisen Ausführungsbeispiele eine einfache und übersichtliche
Handhabung auf, da durch eine ausschließliche Benutzung
der Elektrohydrodynamik als Stofftransportmechanismus mechanische
Pumpen und Zuflüsse von außen entfallen. Dadurch
wird der äußere Aufbau sehr übersichtlich
und das System lässt sich viel besser handhaben – zum
Beispiel entfallen unzählige Schlauchverbindungen. Ein
weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen ist dadurch
gegeben, dass wenige mechanische Teile gleichzeitig einen geringen
Wartungsaufwand implizieren. Durch den Wegfall der mechanischen
Teile entfällt nämlich die regelmäßig
Wartung und Kontrolle der Schläuche, Pumpen, Ventile, etc.
Ein Austausch von Verschleißteilen kann vermieden werden
und somit sind zur Bedienung keine Kenntnisse mehr über
das Anschließen der mechanischen Teile und die Flusssteuerung über
externe Komponenten notwendig. Somit reduziert sich die Einarbeitungszeit
und die Todzeit (Wartezeit) bei diesen Systemen erheblich und die
Einsatzbandbreite steigt gleichzeitig stark.
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Wie
bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, dass Verdunstungen
oder Verdampfungen weitestgehend vermieden werden können,
da mit einer ständigen Temperaturüberwachung und
-regelung rechtzeitig auf eventuelle kritische Betriebszustände
Einfluss genommen werden kann. Die Regelung ermöglicht
es, dass auch mehrere Proben umlaufen können und die Probenmenge – systembedingt – weiter
reduziert werden kann. Ferner kann eine ständige Überwachung
und Regelung auch hinsichtlich einer erreichbaren Stabilität
vorteilhaft sein, da ein stabiler mikrofluidischer Fluss ermöglicht
wird. Somit kann ebenfalls der Durchsatz erhöht werden. Schließlich
erlauben Ausführungsbeispiele eine schnelle, genaue und
kostengünstigere Probenanalyse, da eine Regelung einen
geschwindigkeitsoptimierten Probendurchsatz über den elektroosmotischen
Fluss erlaubt. Da mehrere Proben gleichzeitig durch das System geschleust
werden können, kann der Durchsatz er heblich vergrößert
und die Kosten verringert werden. Kostenmindernd wirkt auch der
Fakt, dass gemäß Ausführungsbeispielen
teure mechanische Teile entfallen und somit ebenfalls teure mechanische
Ersatzteile.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgenden bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Transport einer Probe innerhalb einer Kapillare
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Prinzipaufbau eines Glas-Chips;
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3 ein
Prinzipaufbau eines Silizium-Chips mit der Elektronik;
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4 eine
schematische Darstellung für eine Geschwindigkeitsregelung;
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5 eine
schematische Darstellung für eine Temperaturregelung;
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6 ein
Ausführungsbeispiel einer mäanderförmigen
Struktur für die Kapillare; und
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7 ein
Ausführungsbeispiel für eine Struktur in Form
eines Entscheidungsbaumes.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Transport einer mikrofluidischen Probe 110 in
einer Kapillare 130, die in einem Substrat 120 ausgebildet
ist. Die mikrofluidische Probe 110 (die im Folgendem oft
nur als Probe bezeichnet wird) bewegt sich zwischen einer ersten
Elektrode 141 und einer zweiten Elektrode 142,
wobei sie einen Sensor 151, der entlang der Kapillare 130 zwischen
der ersten Elektrode 141 und der zweiten Elektrode 142 angeordnet
ist, passiert. Der Sensor 151 ist ausgelegt, um eine Messung
bezüglich der Probe 110 durchzuführen,
wobei beispielsweise ein Anfang 110a und ein Ende 110b der
Probe 110 festgestellt werden und entsprechende Signale
an eine Regelung 160 weitergegeben werden können.
Die Regelung 160 steuert beispielsweise eine Spannung zwischen
der ersten Elektrode 141 und der zweiten Elektrode 142 in
Abhängigkeit von einem Messergebnis der Messung und bestimmt
somit das elektrische Feld E, das die Geschwindigkeit der Probe
beeinflusst.
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Das
Substrat 120 kann beispielsweise Glas (oder ein andere
transparentes Material) aufweisen und auf einen Untergrund 125 ausgebildet
sein, wobei der Untergrund 125 einen Siliziumchip oder
ein anderes Halbleitersubstrat umfassen und die Regelung 160 aufweisen
kann.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf das Substrat 120 mit der Kapillare 130,
die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine mäanderförmige
Struktur aufweist. Die Kapillare 130 verbindet ein Zuflussreservoir 161 mit
einem Abflussreservoir 162 und passiert acht Elektroden:
eine erste Elektrode 141, eine zweite Elektrode 142,
eine dritte Elektrode 143, eine vierte Elektrode 144,
eine fünfte Elektrode 145, eine sechste Elektrode 146, eine
siebte Elektrode 147 und eine achte Elektrode 148,
wobei die zweite bis siebte Elektrode 142 bis 147 jeweils
an Eckpunkten der (rechtwinklig ausgestalteten) mäanderförmigen
Struktur angeordnet sind und die erste Elektrode 141 möglichst
nah an dem Zuflussreservoir 161 und die achte Elektrode 148 möglicht
nah an dem Abflussreservoir 162 angeordnet sind. Der Abstand
der ersten Elektrode 141 zum Zuflussreservoir 161 und der
Abstand der achten Elektrode 148 von dem Abflussreservoir 162 kann
beispielsweise derart gewählt sein, dass eine möglichst
effiziente Aufnahme von Flüssigkeitsproben aus dem Zuflussreservoir 161 und
eine möglichst effiziente Abgabe der Flüssigkeitsproben 110 in
das Abflussreservoir 162 gegeben ist. In der Figur sind die
Proben 110 nicht gezeigt.
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Die
in dieser Draufsicht unterhalb des Substrats 120 angeordnete
Elektronik 200 kann beispielsweise in einem Siliziumchip
ausgebildet sein. Die Elektronik 200 weist bei diesem Ausführungsbeispiel
eine Regelungssensorik 210, eine Sensorsignalverarbeitung 220 (Auswerteeinheit),
eine analoge Elektronik 230, eine Benutzerschnittstelle 240,
eine Aktorik 250, eine Regelung oder einen Mikrocontroller 160 (Regelung)
und optional eine biochemische Analyse 270 auf. Mittels
der Regelungssensorik 210 werden Sensorsignale erfasst und
an die Sensorsignalverarbeitung 220 weitergegeben, die
wiederum mittels der analogen Elektronik die Aktorik 250 steuert.
Dabei wird mittels der Benutzerschnittstelle 230 als auch
mittels des Mikrocontrollers 160 Einfluss auf die analoge
Elektronik 230 genommen. Diese Einflussnahme kann beispielsweise
von einer biochemischen Analyse 270 abhängen,
wenn z. B. die Probengeschwindigkeit zu schnell wird, um biochemischen Analysen
durchführen zu können.
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3 zeigt
einen Prinzipaufbau der Elektronik 200 in dem beispielhaften
Silizium und ist komplementär zu der Darstellung in 2,
das heißt, das Substrat 120 mit der mäanderförmig
ausgestalteten Kapillare 130, die das Zuflussreservoir 161 mit
dem Abflussreservoir 162 verbindet, ist verkleinert links
dargestellt. 3 zeigt detaillierter die Elektronik 200,
wobei die Regelungssensorik 210 beispielsweise einen Photosensor
oder einen Temperatursensor umfassen kann und die Sensorsignalverarbeitung 220 insbesondere
eine rauscharme Signalverarbeitung ermöglichen sollte.
Die analoge Elektronik 230 kann beispielsweise ein Ausbilden
einer Referenzspannung oder von Referenzströmen, eine Digitalisierung,
als auch eine Ansteuerung der Aktorik umfassen; die Aktorik 250 umfasst
beispielsweise die Elektroden 141 bis 148 und
einen Temperaturregler. Der Mikro controller 160 kann beispielsweise
eine Ablaufsteuerung und Regelgrößen aufweisen/beeinflusse
und legt beispielsweise fest, wann die Geschwindigkeit der Probe 110 beziehungsweise
eine bestimmt Probe in einer Vielzahl von Proben beschleunigt oder
verlangsamt werden sollte und gibt entsprechende Signale an die analoge
Elektrode 230 weiter.
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Die
Benutzerschnittstelle 240 umfasst beispielsweise eine Einstellung
für die Geschwindigkeit und Temperatur (z. B. Soll-Wert)
und kann eine Darstellung von Ist-Größen aufweisen.
Somit kann der Benutzer den Analysevorgang verfolgen und bei Bedarf über
die analoge Elektronik 230 Einfluss nehmen. Diese Einflussnahme
kann beispielsweise eine Geschwindigkeitsänderung von einer
Probe 110 als auch eine Temperaturänderung der
Probe 110 bedeuten. Die biochemische Analyse 270 kann
beispielsweise eine Sensorik (für biochemische Daten),
eine Signalverarbeitung und eine Signaldarstellung aufweisen und
kann optional mit der Benutzerschnittstelle 240 als auch
mit dem Mikrocontroller 160 gekoppelt sein, um über
eine Einflussnahme des Benutzers oder des Mirkocontrollers 160 optimale
Bedingungen für die biochemische Analyse zu gewährleisten.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Geschwindigkeitsregelung
des elektroosmotischen Flusses 300. Dabei wird der elektroosmotische
Fluss 300 über eine Messung 310 mittels
Photosensoren vorgenommen und die Daten werden beispielsweise an
eine CMOS-Bildverarbeitungselektronik 320 weitergegeben, die
aus den gemessenen Daten eine Geschwindigkeitsmessung 330 vornimmt.
Die gemessene Geschwindigkeit wird einem Ist-Soll-Vergleich 350 zugeführt,
der beispielsweise diese Daten für verschiedene Probensamples 110 und
verschiedene Kanäle erfasst und eine Koordination vornehmen
kann. Dazu kann beispielsweise über ein User-Interface 340 entsprechende
Soll-Werte für die Geschwindigkeit der Proben 110 zugeführt
werden. Entsprechend dem Ergebnis aus dem Ist-Soll-Vergleich 350 wird
die Geschwindigkeit entweder erhöht (wenn der Ist-Wert
unterhalb des Soll-Wertes liegt) oder aber die Geschwindigkeit wird
verringert (wenn der Ist-Wert oberhalb des Soll-Wertes liegt). Die
Einflussnahme erfolgt über die Regelgrößen
und einem Digital-Analog-Wandler 360, der wiederum eine
Elektrodenansteuerung 370 bewirkt, wodurch das elektrische Feld
E (Richtung und Amplitude) beeinflusst werden können. Durch
eine Veränderung des elektrischen Feldes E in der Elektrodenansteuerung 370 kommt
es schließlich zur Veränderung 380 der
Fließgeschwindigkeit aller Samples je Kanal bzw. je Kapillare.
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Die
verschiedenen Kanäle können beispielsweise den
graden Abschnitten der mäanderförmigen Struktur
entsprechen, d. h. die mäanderförmige Struktur
der Kapillare 130 kann dadurch gebildet sein, dass verschiedene
Kanäle durch die Kapillare 130 verbunden sind
und sich in jedem Kanal beispielsweise eine Probe 110 aufhalten
kann. Des Weiteren ist es auch möglich, dass mehrere Kapillare
getrennt angeordnet sein können und über eine
Steuerung entsprechend gesteuert werden können.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
für eine Temperaturregelung. Dabei werden die Proben 110 des
elektroosmotischen Flusses 300 zunächst über
die Photosensoren 310 erfasst als auch deren Temperatur
durch die Temperatursensoren 410 bestimmt. Die Photosensoren 310 geben die
entsprechenden Signale (beispielsweise die Zeitpunkte) an eine Bildverarbeitungselektronik 320,
die beispielsweise auf CMOS-Technologie basieren kann, weiter, wobei
in dem Schritt 440 eine Messung der Abnahme der Probenausdehnung
und eine Messung der Probengeschwindigkeit vorgenommen wird. Wenn
zumindest zwei Elektroden vorhanden sind, kann die Geschwindigkeit
durch ein Erfassen des Anfangspunktes 110a der Probe 110 an
verschiedenen Elektroden erfolgen. Bei Kenntnis der Geschwindigkeit,
kann eine Volumenänderung oder -bestimmung durch ein Erfassen
des Zeitintervalls zwischen dem Passieren der Anfangs- und Endpunkte 110a, 110e der
Probe 110 erfolgen. Diese Informationen können
dann dazu genutzt werden, um auf verschiedene Proben hinsichtlich
ihres Abstandes und ihres Volumen Einfluss zu nehmen. Die Messung der
Probenausdehnung dient dabei als Maß für eine
Verdunstung und die Messung der Probengeschwindigkeit (bzw. deren Änderung)
als ein Maß für eine Viskositätsänderung.
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Die
Signale des Temperatursensors 410 werden an eine Signalverarbeitungselektronik 420 weitergeleitet,
die ebenfalls auf eine CMOS-Technologie basieren kann, und einen
Temperaturmess-Schritt 430 vornimmt. Das Ergebnis der Temperaturmessung 430 als
auch das Ergebnis der Messung 440 zur Probenausdehnung/Probengeschwindigkeit
werden einem Ist-Soll-Vergleich 450 zugeführt.
Der Ist-Soll-Vergleich 450 koordiniert beispielsweise alle
Probensamples 110 und die Kanäle, wobei der Soll-Wert
beispielsweise über ein User-Interface 340 eingegeben
werden kann. Alternativ kann der Soll-Wert auch beispielsweise durch
die biochemische Analyse 270 beeinflusst werden, um dadurch
eine Verbesserung der biochemischen Analysebedingungen zu bewirken.
Das Ergebnis des Ist-Soll-Vergleichs 450 dient wiederum
dazu, den elektroosmotischen Fluss 300 zu verändern
beziehungsweise deren Temperatur entsprechend abzuändern,
mit dem Ziel Ist- und Soll-Werte anzugleichen. Dazu wird das Ergebnis
des Ist-Soll-Vergleichs 450 über einen digital-analog-Wandler 460 hinsichtlich
der Regelgröße umgewandelt und an einer Ansteuerung
für ein Thermoelement 470 weitergeleitet. Das
Thermoelement 470 wiederum bewirkt eine Änderung 480 der
Temperatur in der Kapillare oder den Kapillarabschnitten und beeinflusst
somit den elektroosmotischen Fluss 300 über die
oben erwähnte Temperaturabhängigkeit sowohl der
Viskosität als auch des Zeta-Potentials. Wie auch bei der
Geschwindigkeitsregelung kann die Temperaturregelung, wie sie in 5 erläutert
wurde, für verschiedene Kanäle (Kanal 1 bis Kanal
n) beziehungsweise auch für Kanalabschnitte separat durchgeführt
werden, um somit Einfluss auf einzelne Proben 110 nehmen
zu können.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für
eine mäanderförmige Struktur der Kapillare 130,
die wiederum das Zuflussreservoir 161 mit dem Abflussreservoir 162 verbindet.
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Oben
in 6 ist eine Draufsicht gezeigt für das
Substrat 120 und unten in 6 ist eine
Querschnittsansicht gezeigt durch das Substrat 120 und
das Untergrundsubstrat 125, welches beispielsweise die
Elektronik 200 aufweisen kann.
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6A zeigt in einer Draufsicht die mäanderförmige
Kapillare 130, die auf oder in dem Substrat 120 ausgebildet
ist. In dieser Draufsicht sind entlang mäanderförmigen
Struktur, die sich in der (x, y)-Ebene befindet, acht Elektroden
(141 bis 148) ausgebildet und eine erste Probe 501,
eine zweite Probe 502, eine dritte Probe 503 und
eine vierte Probe 504 gezeigt, wobei die erste Probe sich
zwischen der ersten und zweiten Elektrode 141, 142;
die zweite Probe 502 zwischen der dritten und vierten Elektrode 143, 144;
die dritte Probe 503 zwischen der fünften und
sechsten Elektrode 145, 146 und die vierte Probe 504 zwischen
der siebten und achten Elektrode 147, 148 sich
befinden. Die Spannung zwischen den acht Elektroden kann dabei beispielsweise
derart gewählt sein, dass sich die erste bis vierte Probe
jeweils in einem gleichen Abstand zueinander befinden und mit einer
gleichen Geschwindigkeit die mäanderförmig ausgestaltete
Kapillare 130 passieren. Ferner sind entlang der mäanderförmigen
Kapillare 130 acht Photosensoren ausgebildet: einen ersten
und einen zweiten Photosensor 151, 152 zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode 141, 142;
einen dritten und vierten Photosensor 153, 154 zwischen
der dritten und der vierten Elektrode 143, 144;
einen fünften und einen sechsten Photosensor 155, 156 zwischen
der fünften und sechsten Elektrode 145, 146 und
einen siebten und achten Photosensor 157, 158 zwischen
der siebten und achten Elektrode 147, 148. Ferner
ist zwischen dem ersten und dem zweiten Photosensor 151, 152 ein
erster Temperatursensor 521, zwischen dem dritten und dem
vierten Photosensor 153, 154 ein zweiter Temperatursensor 522,
zwischen dem fünften und dem sechsten Photosensor 155, 156 ein
dritter Temperatursensor 523, zwischen dem siebten und
achten Photosensor 157, 158 ein vierter Temperatursensor 524 angeordnet.
Die acht Photosensoren 151 bis 158 als auch die
vier Temperatursensoren 521 bis 524 dienen dabei
der Geschwindigkeits- als auch der Temperatur-Erfassung der Proben 501 bis 504 auf
die wiederum in der zuvor beschriebenen Art und Weise über
eine Rückkopplung auf die anliegende Spannung der acht
Elektroden 141 bis 148 Einfluss genommen werden
kann.
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Ferner
können biochemische Analysen mittels Biosensoren durchgeführt
werden. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein erster Biosensor 531 zwischen der zweiten Elektrode
und der dritten Elektrode 142, 143; ein zweiter
Biosensor 532 zwischen der vierten und fünften
Elektrode 144, 145; ein dritter Biosensor 533 zwischen
der sechsten und siebten Elektrode 146, 147 angeordnet.
Beispielsweise passieren die Proben 501 bis 504 zuerst
den Biosensor 531, dann den zweiten Biosensor 532 und
schließlich den dritten Biosensor 533, wobei die
drei Biosensoren 531 bis 533 unterschiedliche
Messungen an den Proben 501 bis 504 vornehmen
können. Über Erfassung der Geschwindigkeit und
Temperatur wie es zuvor beschrieben wurde, können nun Bedingungen
bereitgestellt werden, so dass die Biosensoren 531 bis 533 optimale
Sensorbedingungen vorfinden können.
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6B zeigt einen Querschnitt entlang der
(z, x)-Ebene durch das Substrat 120 und das Untergrundsubstrat 125,
wobei dieser Querschnitt entlang der X-X'-Linie aus 6A durchgeführt
wurde. Er zeigt somit die Kapillare 130, wie sie in das
Abflussreservoir 162 endet und die vierte Probe 504 aufweist.
Die vierte Probe 504 befindet sich zwischen der siebten
Elektrode 147 und der achten Elektrode 148 und
ferner ist entlang der Kapillare 130 der vierte Temperatursensor 524,
der sich zwischen dem siebten und dem achten Photosensor 157 und 158 befindet,
gezeigt. Diese Querschnittsansicht zeigt ferner den zweiten Biosensor 532 als
auch den dritten Biosensor 533, die sich jedoch in y-Richtung
von der Schnittebene versetzt angeordnet sind.
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Durch
die Vielzahl von Elektroden 141 bis 148, und die
Vielzahl von Photosensoren 151 bis 158 als auch
die Vielzahl von Thermosensoren/Thermoelementen 521 bis 524,
ist es möglich, Proben, die sich gleichzeitig in der mäanderförmigen
Kapillare 130 befinden, separat anzusteuern, als auch deren
Geschwindigkeit und Temperatur separat zu erfassen, um darauf Einfluss
zu nehmen. Das ermöglicht einen erheblich höheren Probendurchsatz
als auch optimale Analysebedingungen für die Biosensoren 531 bis 533 – und
zwar für jede Probe einzeln.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel von 6 zeigt
somit im oberen Abschnitt (6A) eine
Draufsicht auf den beispielhaften Glas-Chip 120, wobei
neben den Elektroden 141 bis 148 eine mögliche
Verteilung von Photosensoren 151 bis 158 (je zwei
pro Kanal) und der Temperatursensor/Thermoelementen 521 bis 524 angedeutet
sind. Außerdem sind die Sensoren für die eigentliche
biochemische Analyse dargestellt (ersten bis dritten Biosensor 531 bis 533).
Es ist somit ein Beispiel dargestellt, bei dem die Kapillare 130 mäanderförmig über
den beispielhaften Glas-Chip 120 führt und ein
Zufluss und ein Abfluss (Zuflussreservoir 161, Abflussreservoir 162)
besitzt. Somit findet an drei Stellen einer Nutzanalyse (an den
drei Biosensoren 531 bis 533) statt. Ferner sind
in dem Kanalsystem vier Probensamples (501 bis 504)
unterwegs, die alle über Elektrodenpaare individuell (das
heißt über einen Spannungsabfall benachbarter
Elektroden) gesteuert werden können. Im unteren Abschnitt
(6B) ist, wie gesagt, die Sandwich-Struktur
des Aufbaus aus dem beispielhaften Glas-Chip 120 und einem
Siliziumchip 125 erkennbar, wobei lediglich die Sensoren
angedeutet, die Elektronik 200 und alle Schnittstellen
jedoch nicht eingezeichnet sind.
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Probensamples 110 anstatt
der mäanderförmigen Struktur aus 6 einen
Entscheidungsbaum passieren, wobei der Pfad von Messergebnissen
der Biosensoren abhängt.
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7A zeigt ähnlich wie 6A eine Draufsicht auf dem zu einem Entscheidungsbaum
sich verzweigenden Kanal 130, der das Zuflussreservoir 161 mit
Abflussreservoirs 162a bis 162h verbindet. Die
Verzweigungen sind auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet, wobei
jedes Niveau eine Vielzahl von Elektroden aufweist. So befinden
sich auf einem zweiten Niveau drei Elektroden 142a–c,
auf dem dritten Niveau vier Elektroden usw. Die Nummerierung in
der Elemente auf den unterschiedlichen Niveaus erfolgt von oben
nach unter in 7. Die Elektroden dienen der
Steuerung der Probe 110 und bewirken eine Richtungsänderung.
Im folgenden werden nur einige Verzweigungen erläutert
werden.
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Eine
erste Verzweigung des Entscheidungsbaums erfolgt an der zweiten
Elektrode des zweiten Niveaus 142b, wobei zwischen der
zweiten Elektrode des zweiten Niveaus 142b und dem Zuflussreservoir 161 eine
erste Elektrode 141, der erste Biosensor 531 und
der erste Photosensor 151 angeordnet sind. An der zweiten
Elektrode des zweiten Niveaus 142b erfolgt eine Aufspaltung
in zwei Kanalbereiche, wobei ein Kanalbereich zu einer ersten Elektrode
des zweiten Niveaus 142a und der erste Kanalbereich zu
einer dritten Elektrode des zweiten Niveaus 142c führt.
An der vierten Elektrode des dritten Niveaus 143d und an
der dritten Elektrode des dritten Niveaus 143c erfolgt
wiederum ein Aufspalten des ersten Kanalbereiches und des zweiten
Kanalbereiches, wobei zwischen der zweiten Elektrode des dritten
Niveaus 143b und der ersten Elektrode des zweiten Niveaus 142a ein
erster Biosensor des zweiten Niveaus 532a und ein erster
Photosensor des zweiten Niveaus 152a angeordnet sind. In
gleicher Art und Weise sind zwischen der dritten Elektrode des dritten
Niveaus 143c und der dritten Elektrode des zweiten Niveaus 142c ebenfalls
ein zweiter Biosensor des zweiten Niveaus 532b und ein
zweiter Photosensor des zweiten Niveaus 152b angeordnet.
Die Aufspaltung des Kanals an der zweiten Elektrode des dritten
Niveaus 143b ergibt einen dritten Kanalbereich und einen
vierten Kanalbereich, wobei der dritte Kanalbereich eine erste Elektrode
des dritten Niveaus 143a aufweist und zwischen der ersten
Elektrode des dritten Niveaus 143a und der zweiten Elektrode
des dritten Niveaus 143b ein erster Photosensor des dritten
Niveaus 153a angeordnet ist. Der dritte Kanalbereich führt
nun von der ersten Elektrode des dritten Niveaus 143a zu
der zweiten Elektrode des vierten Niveaus 144b, wobei ein
erster Biosensor des dritten Niveaus 533a und ein erster
Photosensor des vierten Niveaus 154a passiert werden. An der
zweiten Elektrode des vierten Niveaus 144b und an der vierten
Elektrode des vierten Niveaus 144d erfolgt wiederum eine
Aufspaltung.
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Diese
Aufspaltung der Kanalbereiche kann sich in mehreren Schritten fortsetzen,
wobei in einem letzten Kanalbereich wiederum zwei Elektroden angeordnet
sind, in der 7A ist das beispielsweise
die erste Elektrode des vierten Niveaus 144a und die letzte
Elektrode 148a, zwischen denen ein erster Biosensor des vierten
Niveaus 534a und ein erster Photosensor des fünften
Niveaus 155a angeordnet sind. Der letzte Kanalbereich mündet
schließlich nach dem Passieren der letzten Elektrode 148a in
das Abflussreservoir 162a. Verschiedene Verzweigungsschritte
führen in gleicher Art und Weise zu den verbleibenden Abflussreservoirs 162b bis 162h.
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7A zeigt ebenfalls eine Probe 110,
die sich zwischen der ersten Elektrode des zweiten Niveaus 142a und
der zweiten Elektrode des dritten Niveaus 143b befindet.
Der konkrete Weg, den die Probe 110 nehmen wird, kann dabei
derart gewählt werden, dass beispielsweise in Abhängigkeit
der Messungen an den Biosensoren 531 bis 534,
der Weg der Probe 110 entsprechend geändert wird.
Zum Beispiel können die verschiedenen Biosensoren verschiedene
biochemische Untersuchungen durchführen, so dass bei einem
positiven Befund hinsichtlich eines Messergebnisses, der Pfad derart
geändert wird, dass weitere Analysen an der Probe 110 durchgeführt
werden. In gleicher Art und Weise wie es auch in der 6 beschrieben
wurde, können gleichzeitig mehrere Proben den Kanal 130 passieren,
wobei die Photosensoren zum einen die Position der einzelnen Proben
als auch Änderungen im Volumen erfassen können
und über die Regelung 160 die Geschwindigkeit
der einzelnen Proben als auch deren Abstand untereinander reguliert
werden kann.
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Die
Draufsicht in 7A ist wie in 6A in einer (x, y)-Ebene gelegen und 7B zeigt einen Querschnitt durch diese
Ebene in z-Richtung entlang der X-X'-Schnittlinie vom Zuflussreservoir 161 zu
dem Abflussreservoir 162h (entlang der Strich-Punkt-Linie
in 7A).
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In
der Querschnittsansicht von 7B sind
neben den Elementen, die bereits in 7A beschrieben wurden,
weitere Elektroden eingezeichnet. Die weiteren Elektroden können
insbesondere einem Transport mittels Elektrowetting unterstützen
bzw. verbessern. Die weiteren Elektroden umfassen zum einen Top-Elektroden 641 bis 648,
die sich in der Querschnittsdarstellung von 7B oberhalb
des Kanals 130 be finden. Ferner sind in der Querschnittsansicht
von 7B Oberflächenelektroden 741 bis 748 sichtbar,
die beispielsweise dazu dienen, Oberflächeneigenschaften
durch Potentialdifferenzen zwischen Elektrodenpaaren zu verändern und
dadurch eine Regelung des Flusses zu bewirken. Sowohl die Topelektroden 641 bis 648 als
auch die Oberflächenelektroden 741 bis 748 sind
in der Draufsicht von 7A nicht dargestellt.
Alle weiteren Elemente, die in 7B gezeigt
sind, befinden sich ebenfalls in 6A.
Das Substrat 120 ist, wie in 7B ersichtlich ist,
weist eine Abdeckschicht 120a, einen Kanalbereich 120b als
auch ein Untergrundsubstrat 125 auf. Das Untergrundsubstrat 125 kann
wiederum beispielsweise einen Silizium-Chip aufweisen und die Abdeckschicht 120a als
auch der Kanalbereich 120b können ein Polymer
(Polymer-Chips) bzw. Glas aufweisen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zur Herstellung
einer der oben genannten Vorrichtungen, die beispielsweise die Sandwich-Struktur,
transparente Elektroden und elektrische Durchkontaktierungen zur
Kontaktierung der Elektroden (erste Elektrode 141, Topelektrode 641,
Oberflächenelektrode 741, etc.) aufweist, bereit.
Die Elektroden 141, 641, 741 sind dauerhaft
gebondet oder löslich kontaktiert. Dadurch wird es möglich,
das Substrat 120 (Glas-Chip/Polymer) und den Siliziumchip 125 voneinander
zu trennen, so dass das Substrat 120 (mit dem Kanal 130)
nach einem ein- oder mehrmaligen Gebrauch ausgetauscht werden kann
bzw. verschiedene Substrate (z. B. mit mäanderförmiger
Struktur oder Entscheidungsbaumstruktur) je nach Bedarf auf eine
Untergrundsubstrat 125 (auf einen Silizium-Chip mit der
Regelung/Steuerung) aufgesetzt werden können. Dies ist
insbesondere dann möglich, wenn die Elektroden ein Teil
des Untergrundsubstrats 125 sind und macht die Vorrichtung
flexibel einsetzbar.
-
Abhängig
von den Gegebenheiten können obige Ausführungsbeispiele
in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung
kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette,
CD oder DVD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen,
die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken
können, dass das jeweilige Verfahren ausgeführt
wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Software-Programm-Produkt
bzw. einem Computer-Programm-Produkt bzw. einem Programm-Produkt
mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten
Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wenn das Software-Programm-Produkt auf einem Rechner
oder einem Prozessor abläuft. In anderen Worten ausgedrückt
kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm bzw. Software-Programm
bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des
Verfahrens realisiert werden, wenn das Programm auf einem Prozessor
abläuft. Der Prozessor kann hierbei von einem Computer,
einer Chipkarte (Smart Card) oder einem anderen integrierten Schaltkreis gebildet
sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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