-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Ermöglichen der Bewertung eines Füllzustands und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren, die geeignet sind, um den Füllzustand einer mit einer Flüssigkeit befüllbaren Fluidikstruktur zu bewerten.
-
Auf dem Gebiet der Mikrofluidik stellen sogenannte „Lab-on-a-Chip”-Technologien Technologien dar, um beispielsweise komplexe Assay-Protokolle in Biowissenschaften zu integrieren, automatisieren, miniaturisieren und parallelisieren. Zu diesem Zweck können Flüssigkeitshandhabungsoperationen, z. B. ein Vorbereiten, ein Teilen, ein Dosieren, ein Leiten und ein Mischen, auf einem einzelnen Substrat durchgeführt werden. Um Zeit und Kosten pro Assay zu sparen, können mehrere Reaktionskanäle gleichzeitig auf dem gleichen Substrat betrieben werden.
-
Die Reproduzierbarkeit von Flüssigkeitshandhabungsprozessen, die durch mikrofluidische Operationen implementiert werden, können unter ihrer außerordentlichen Empfindlichkeit hinsichtlich Oberflächeneffekten leiden, die sich häufig zeitlich oder von Assay zu Assay ändern. Um „Lab-on-a-Chip”-Technologien von der Verwendung von Experten in Forschungslabors zu streng geregelten Endverbrauchermärkten, beispielsweise einer In-Vitro-Diagnose (IVD) übertragen zu können, ist eine Reproduzierbarkeit und eine Qualitätssicherstellung von grundlegender Bedeutung.
-
Aus der
US-A1-2005/0185883 ist ein optischer Schalter bekannt, der nach dem Prinzip einer internen Totalreflexion (TIR) arbeitet. Ein Graben schneidet einen Lichtwellenleiter.
-
Wenn der Graben mit einer Indexanpassungsflüssigkeit gefüllt ist, findet keine Reflexion an der Grenzfläche zwischen Lichtwellenleiter und Graben statt und das Licht breitet sich entlang eines ersten Ausgangswellenleiters aus. Liegt eine Blase in dem Graben vor, wird das Licht einer internen Totalreflexion unterworfen und breitet sich entlang eines zweiten Ausgangswellenleiters aus. Somit kann durch das gesteuerte Vorsehen einer Blase in dem Kanal der Ausbreitungsweg des Lichts geschaltet werden.
-
Die
EP 1 058 099 A2 offenbart einen Fluiddetektor, der ausgebildet ist, um das Vorliegen eines Fluids zu erfassen, wobei ein Lichtstrahl, der durch eine flache Seite eines transparenten Substrats einfällt, an einer gezahnten Oberfläche einer internen Totalreflektion unterworfen wird oder nicht, abhängig davon, ob ein Medium mit einem wesentlich geringeren Brechungsindex mit der gezahnten Oberfläche in Kontakt ist oder nicht.
-
Die
EP 1 425 590 B1 lehrt das Durchführen von optischen Transmissionsmessungen, wobei eine Relativbewegung zwischen einem optischen Kanal und Probenbehältern durchgeführt wird, wobei ein Detektor zum Erfassen des die Probenbehälter durchdringenden Lichts vorgesehen ist.
-
Aus der
DE 101 16 674 C2 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Fluiden bekannt, die eine mikrofluidisches Bauteil aufweist, in dem ein Mikrokanal mit zwei zueinander geneigten Flächen gebildet ist. Ein von einem Lichtsender ausgestrahlter Lichtstrahl wird bei Anliegen eines Gases an den Flächen einer Totalreflexion unterworfen und bei Anliegen einer Flüssigkeit an den Flächen nicht.
-
Die
US 4,559,454 A offenbart eine Infusionseinrichtung mit einer Blasenerkennung, die darauf basiert, das bei Vorliegen einer Blase eine Reflexion an einer Lumenwand stattfindet, während bei Vorliegen einer Flüssigkeit an der Lumenwand keine Reflexion stattfindet.
-
Die
DE 34 16 178 A1 offenbart einen Pegelstandsmesser, der auf der Grundlage einer photoelektrischen Meniskusablesung arbeitet.
-
Aus der
US 3,636,360 A ist ein Verfahren zum photoelektrischen Erfassen eines Flüssigkeitspegels bekannt, das den Unterschied des Brechungsfaktors einer inneren Wand einer Röhre ausnutzt, der davon abhängt, ob die Röhre mit Flüssigkeit gefüllt ist oder nicht.
-
Die
GB 2 174 802 A beschreibt einen Wellenleitersensor, wobei der Wellenleiter eine Beschichtung aufweist, die für eine gegebene Spezies sensibilisiert ist.
-
Aus der
WO 2006/011393 A1 und der
EP 1 626 278 A2 sind Zentrifugen bekannt, bei denen Füllstände im rotierenden Zustand optisch ausgewertet werden.
-
Es besteht ein Bedarf nach Vorrichtungen und Verfahren, die auf zuverlässige Weise die Bewertung eines Füllzustands einer mit einer Flüssigkeit befüllbaren Fluidikstruktur ermöglichen.
-
Dieser Bedarf wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 21 gelöst.
-
Eine Erfassung, ob der Lichtstrahl total reflektiert wurde oder nicht, kann visuell durch einen Benutzer erfolgen, um basierend darauf den Füllzustand zu bewerten. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind ein Detektor, der ausgebildet ist, um zu erfassen, ob der Lichtstrahl intern total reflektiert wurde, und eine Bewertungseinrichtung, die ausgebildet ist, um basierend auf einem Ausgangssignal des Detektors den Füllzustand zu bewerten, vorgesehen.
-
Die vorliegende Erfindung schafft eine neuartige Möglichkeit zur Erfassung von Gasblasen und Füllstandspegeln unter Verwendung des Prinzips der internen Totalreflexion (TIR). Erfindungsgemäß wird dabei eine Relativbewegung zwischen einer Lichtquelle und einem Wandabschnitt einer Fluidikstruktur, an dem abhängig vom Vorliegen einer Flüssigkeit eine interne Totalreflexion stattfindet oder nicht, bewirkt. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit ein Scannen entlang eines Fluidkanals, um Gasblasen, in der Regel Luftblasen, in dem Kanal erfassen zu können, beziehungsweise eine Gas/Flüssigkeits-Verteilung in dem Kanal erfassen zu können. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Relativbewegung durch eine Rotation eines Körpers, in dem die Fluidikstruktur gebildet ist, bewirkt, so dass ein Füllstand der Fluidikstruktur, die zentrifugal befüllt werden kann, erfasst werden kann.
-
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1A bis 2D schematische Darstellungen zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung;
-
3 eine schematische Darstellung einer in einem Rotationskörper gebildeten Fluidikstruktur;
-
4 eine schematische Darstellung eines Rotationskörpers mit einer Mehrzahl von Fluidikstrkturen;
-
5 eine schematische Darstellung eines Erfassungssignals;
-
6A eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
-
6B eine schematische Darstellung eines Erfassungssignals.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf einer Strahlumlenkung, durch die in Abhängigkeit von der Befüllung eines Kanals mit Flüssigkeit oder Gas ein einfallender Strahl in unterschiedliche Richtungen abgelenkt wird. Spezieller basieren Ausführungsbeispiele der Erfindung auf dem Prinzip einer internen Totalreflexion bei einem Übergang von einem optisch dichteren zum optisch dünneren Medium. Der Grenzeinfallwinkel αT, ab dem eine interne Totalreflexion stattfindet, ergibt sich dabei aus sin(αT) = n2/n1, wobei n1 der Brechungsindex des optisch dichteren Mediums und n2 der Brechungsindex des optisch dünneren Mediums ist. Zur Implementierung der Erfindung kann ein Lichtstrahl mit einem beliebigen geeigneten Winkel auf einen Wandabschnitt einer Fluidikstruktur gerichtet werden, bei dem, abhängig vom Vorliegen einer Flüssigkeit, eine interne Totalreflexion stattfindet oder nicht. Geeignete Winkel hängen dabei von dem Material des Körpers, in dem die Fluidikstruktur gebildet ist, und der verwendeten Flüssigkeit ab. Geeignete Winkel können dabei in einem Bereich zwischen 40 und 50° liegen, wobei bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der Winkel, mit dem der Lichtstrahl auf den Wandabschnitt trifft, im Wesentlichen 45° betragen kann.
-
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff Licht solche elektromagnetische Strahlung verstanden, bei der eine interne Totalreflexion, wie sie im folgenden erläutert wird, auftreten kann, beispielsweise sichtbares Licht, UV-Licht und Infrarot-Licht. Entsprechend wird unter Lichtquelle eine entsprechende Strahlquelle verstanden und unter Lichtdetektor ein Detektor, der in der Lage ist, entsprechende Strahlung zu detektieren.
-
Die 1A und 1B zeigen schematische Querschnittdarstellungen zur Veranschaulichung dieses Prinzips, wobei in einem Körper 10, der einen Brechungsindex n1 aufweist, ein Kanal 12 gebildet ist. Bei Ausführungsbeispielen kann der Kanal 12 einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Der Körper 10 kann aus einem beliebigen, für das verwendete Licht zumindest teilweise transparenten Material mit einem geeigneten Brechungsindex, beispielsweise einem Polymer, Glas, Silizium oder dergleichen bestehen.
-
Über eine flache Seite 10a tritt ein Lichtstrahl 14 in das Substrat 10 ein und trifft auf einen Wandabschnitt 12a des Kanals 12. Je nachdem, ob der Einfallswinkel unter- oder oberhalb des kritischen Winkels für die interne Totalreflexion liegt, wird der Strahl entweder transmittiert oder reflektiert. Nach dem Snelliusschen Gesetz der Totalreflexion lässt sich dieses Verhalten über den Brechungsindex zwischen dem Material des Substrats 10 und dem Medium im Fluidkanal 12 schalten.
-
Ist der Kanal mit einem Gas gefüllt, beispielsweise Luft, wie dies in 1A gezeigt ist, findet an dem Wandabschnitt 12a aufgrund des Verhältnisses der Brechungsindizes des Substrats 10 und des Gases in dem Kanal 12 eine interne Totalreflexion statt, so dass der Lichtstrahl 14 auf einen Detektor 16 abgelenkt wird. Ist der Kanal 12 mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Blut gefüllt, so findet aufgrund des Verhältnisses der Brechungsindices des Materials des Substrats 10 und der Flüssigkeit 18 keine interne Totalreflexion statt und der Strahl 14 wird transmittiert, wie dies in 1B gezeigt ist. An dem Detektor 16 wird somit kein direktes Signal erhalten. Mittels des Detektors 16 kann somit erfasst werden, ob in dem Kanal 12 eine Flüssigkeit vorliegt oder nicht, so dass ein Füllzustand in dem Kanal 12 bewertet werden kann.
-
Alternativ oder zusätzlich zu dem in den 1A und 1B gezeigten Detektor 16 könnte ein Detektor an der Position 16' vorgesehen sein, der erfasst, ob der Lichtstrahl 14 transmittiert wird oder nicht. Auch mittels eines Detektors an der Position 16' könnte somit der Füllzustand in dem Kanal 12 bewertet werden.
-
2A zeigt schematisch eine Querschnittsansicht, bei der zusätzlich zu dem Kanal 12 in dem Substrat 10 eine Spiegelstruktur 20 mit einer Spiegelfläche 20a vorgesehen ist. Der Lichtstrahl 14 fällt wiederum über die flache Seite in das Substrat 10 ein und wird, da gemäß 2a der Kanal 12 gasgefüllt ist, an dem Wandabschnitt 12a desselben einer internen Totalreflexion unterworfen. Der total reflektierte Strahl 14a gelangt zu der Spiegelfläche 20a und wird an derselben reflektiert, um als Ausgangsstrahl 14b die flache Seite des Substrats 10 zu verlassen. Der Strahl 14 wird durch eine entsprechende Lichtquelle (in 2A nicht gezeigt) erzeugt, wobei im Strahlengang des Strahls 14b wiederum auf geeignete Weise ein Detektor (in 2A nicht gezeigt) angeordnet sein kann. Gemäß 2A ist die Spiegelstruktur 20 als eine Ausnehmung in dem Substrat 10 gebildet, so dass an der Spiegelfläche 20a derselben eine interne Totalreflexion des Strahls 14a stattfindet. Die Spiegelstruktur 20 kann somit eine permanente TIR-Struktur darstellen, die beispielsweise konstant mit Gas gefüllt ist. Bei dem in 2A gezeigten Beispiel könnte unterhalb des Kanals 12 an einer Position, die vergleichbar zur Position 16' in 1A ist, ein weiterer Detektor vorgesehen sein, der einen durch den Kanal 12 transmittierten Lichtstrahl, wenn der Kanal 12 mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, detektieren könnte. Somit könnten sowohl der transmittierte als auch der TIR-reflektierte Strahl mit hoher Zuverlässigkeit gemessen werden, so dass in jeder Phase ein Signal für einen externen Detektor verfügbar wäre.
-
Eine schematische Querschnittdarstellung einer vergleichbaren Struktur ist in 2B gezeigt, in der ferner ein weiterer einfallender Lichtstrahl 14' gezeigt ist. Gemäß 2B ist der Kanal 12 teilweise mit einer Flüssigkeit 18 gefüllt, wie durch den schraffierten Bereich in 2B angedeutet ist. Der Lichtstrahl 14 trifft auf einen Wandabschnitt 12a des Kanals 12, an dem keine Flüssigkeit vorliegt, so dass der Lichtstrahl 14 intern total reflektiert wird und als intern total reflektierter Lichtstrahl 14a auf die Spiegeloberfläche 20a des Spiegels 20 trifft. Ein dazu verschobener Lichtstrahl 14' trifft jedoch auf einen Wandabschnitt 12b des Kanals 12, an dem Flüssigkeit 18 vorliegt, so dass dieser Lichtstrahl transmittiert wird. Dieser Effekt könnte ausgenutzt werden, um die Füllhöhe der Flüssigkeit in dem Kanal 12 zu ermitteln, indem ein fokussierter Lichtstrahl in einer Richtung y parallel zur flachen Seite 10a des Substrats 10 bewegt wird, so dass der Lichtstrahl in dem Bereich, in dem keine Flüssigkeit vorgesehen ist, reflektiert wird und in dem Bereich, in dem Flüssigkeit vorgesehen ist, transmittiert wird, was durch einen entsprechenden Detektor erfasst werden könnte. Zu diesem Zweck könnte eine geeignete Antriebseinrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um eine Lichtquelle bidirektional in der Richtung y zu bewegen, wie durch den entsprechenden Pfeil in 2B angedeutet ist. Alternativ könnte eine Lichtquelle verwendet werden, deren Lichtstrahl in der Richtung y den Wandabschnitt 12a im Wesentlichen vollflächig beleuchtet, so dass der Anteil an intern total reflektiertem oder transmittiertem Licht, der von der Füllhöhe der Flüssigkeit in dem Kanal 12 abhängt, durch einen entsprechenden Detektor erfasst werden könnte.
-
Die 1A bis 2B verdeutlichen schematisch das füllstandsabhängige Ablenkungsprinzip durch eine exemplarische Grundstruktur, aus der sich auch durch Verknüpfung mit gleichartigen und weiteren optischen Elementen, wie z. B. weiteren Spiegeln, komplexere Funktionalitäten komponieren lassen.
-
2C zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Abschnitts eines optisch transparenten Polymersubstrats 10, wobei in einer unteren Oberfläche des Substrats 10 ein Kanal 12 mit dreieckigem Querschnitt gebildet ist. Die Oberfläche des Substrats 10, in der der Kanal 12 gebildet ist, ist mit einem Deckel 22 versehen, der ebenfalls optisch transparent ist. Gemäß 2C ist der Kanal 12 mit einer Flüssigkeit 18 gefüllt, so dass ein von einer Lichtquelle 24, die beispielsweise eine Laserdiode aufweisen kann, erzeugter Lichtstrahl 14 an dem Wandabschnitt 12a des Kanals 12 nicht total reflektiert, sondern transmittiert wird, wie durch einen Pfeil 24 in 2c gezeigt ist.
-
Gemäß 2D liegt an dem Wandabschnitt 12a, auf den der Lichtstrahl 14 fällt, keine Flüssigkeit vor, so dass dort eine interne Totalreflexion stattfindet. Der intern total reflektierte Strahl 14a wird an der Spiegelstruktur 20 wiederum reflektiert und gelangt über eine Lichtleitfaser 26 zu einem Lichtdetektor 28, der eine oder mehrere Photodioden aufweisen kann. Die Lichtleitfaser kann an dem Ende, an dem der von der Spiegelstruktur 20 reflektierte Lichtstrahl 14b in dieselbe eintritt, ein aufgeweitetes Ende (Taper) aufweisen.
-
Die Spiegelstrukturen können vorteilhaft verwendet werden, um die Anordnung von Lichtquelle und Lichtdetektor auf einer Seite eines Substrats zu ermöglichen. Lichtleitfasern können vorteilhaft verwendet werden, um den Lichtdetektor 28 anzuordnen, um eine direkte Erfassung von Licht von der Lichtquelle 24 zu reduzieren beziehungsweise zu verhindern. Die Kanäle können als V-Rillen in der Oberfläche eines Substrats gebildet sein, auf der dann ein Deckel angebracht wird, so dass die Herstellung der Kanalstrukturen auf einfache Weise möglich ist.
-
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird das beschriebene Prinzip, dass einen opto-fluidischen Strahlschalter darstellt, beispielsweise als digitaler Füllstandsensor eingesetzt. Dabei kann ein solcher Schalter für mikrofluidische Systeme eingesetzt werden, die häufig in Polymersubstraten strukturiert sind. Hierbei kann beispielsweise ein Laserstrahl als Chip-integrierte Qualitätskontrolle den Mindestfüllstand oder den Maximalfüllstand während einer mikrofluidischen Prozesskette verifizieren.
-
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Füllstandsensor in zentrifugal-mikrofluidischen Systemen dienen. Bei solchen Systemen wird häufig ein Kanal oder Reservoir mit einem toten, radial außenliegenden Ende befüllt. Um den ordnungsgemäßen Ablauf oder auch einfach das Ende vorgehender Prozessschritte auf dem Chip, beispielsweise eine Volumendosierung oder eine Zellsedimentation, zu überprüfen, kann ein Laserstrahl den Mindestfüllstand einer entsprechenden radialen Position des Kanals oder Reservoirs überprüfen. Da die Zentrifugation in solchen toten Kanälen bestehende Gasblasen nach innen heraus transportieren kann, kann aus dem Füllstand mit hoher Zuverlässigkeit auf das radial weiter außen liegende Flüssigkeitsvolumen rückgeschlossen werden.
-
Ein beispielhafter Kanal 30 mit einem Reservoir 32 an einem radial äußeren Ende desselben ist in 3 dargestellt. Der Kanal 30 und das Reservoir 32 sind in einem Rotationskörper 34 gebildet, der um ein Drehzentrum 36 drehbar ist. Eine entsprechende Einrichtung zum Rotieren des Rotationskörpers 34 ist in 3 nicht gezeigt und kann beispielsweise aus einer herkömmlichen unidirektionalen oder bidirektionalen Zentrifuge bestehen. Der Rotationskörper 34 selbst kann beispielsweise selbst rotationssymmetrisch sein oder kann als ein Einsatz für einen Rotationskörper ausgebildet sein.
-
Wie in 3 gezeigt ist, ist der Kanal 30 bis zu einer Füllhöhe H mit einer Flüssigkeit 18 befüllt. 3 enthält schematische Pfeile 38, die eine Befüllbarkeit des Kanals 30 darstellen. Der Kanal 30 kann beispielsweise einen Querschnitt aufweisen, wie er oben bezugnehmend auf die 1A und 1B erläutert wurde.
-
Wie in 3 gezeigt ist, strahlt eine Lichtquelle 40 einen Lichtstrahl 14 ab, der an dem Wandabschnitt des Kanals 30, auf den er trifft, keine interne Totalreflexion erfährt, da der betreffende Kanalabschnitt mit Flüssigkeit 18 gefüllt ist. Dies kann an einem Detektor 42 erfasst werden. Wäre der Kanal 30 an der Stelle, wo derselbe von dem Lichtstrahl 14 getroffen wird, nicht mit Flüssigkeit gefüllt, so würde an dem entsprechenden Wandabschnitt eine interne Totalreflexion stattfinden, so dass der Lichtstrahl 14 nicht den Detektor 42 erreichen würde. Über den Detektor 42 ist somit binär erfassbar, ob der Kanal bis zu der Füllhöhe, an dem der Lichtstrahl 14 denselben schneidet, befüllt ist.
-
Eine weitergehende Erfassung, bis wohin der Kanal befüllt ist, könnte dadurch implementiert werden, dass eine Einrichtung zur translatorischen Bewegung der Lichtquelle und des Detektors 42 entlang der Länge des Kanals vorgesehen wird. Würde die Kombination aus Lichtquelle und Detektor 42 in 3 radial nach innen bewegt werden, so würde ab der Füllhöhe H eine interne Totalreflexion an dem Wandabschnitt des Kanals stattfinden, so dass die Füllhöhe ermittelt werden könnte. Antriebsvorrichtungen zum Bewirken einer entsprechenden translatorischen Bewegung sind für Fachleute geläufig und bedürfen hierin keiner weiteren Erörterung.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer zentrifugalen Plattform, die eine Erfassung des Füllzustands in sechs radial nach außen verlaufenden Kanälen ermöglicht, ist in 4 gezeigt. Sechs Kanalstrukturen K1–K6 sind in einem Substrat 50 gebildet. Das Substrat 50 kann im geometrischen Format einer Compact-Disc („CD”) gebildet sein, die auf herkömmliche Weise mittels einer Welle 52 um eine Rotationsachse drehbar ist. Ein geeigneter Antriebsmotor ist in 4 schematisch bei 54 gezeigt. Das Substrat 50 kann beispielsweise aus Polymethyl-Methacrylat (PMMA) bestehen, und die Kanäle K1–K2 können als V-förmige Rillen in demselben gebildet sein. Die Kanalstrukturen können dann wiederum mit einem Deckel abgedeckt sein, so dass die radial äußeren Enden derselben verschlossen sind. Wie in dem vergrößerten Abschnitt 56 im linken Teil von 4 zu sehen ist, umfasst jeder Kanal K1–K4 am radial inneren Ende desselben einen Reservoir-Abschnitt 58, über den der zugeordnete Kanal befüllbar ist. Ferner sind in dem Substrat 50 auf beiden Seiten jedes Kanals Spiegelstrukturen 60, 62 vorgesehen, die ebenfalls als V-förmige Rillen ausgebildet sein können. Die Spiegelstrukturen 60 und 62 können somit als Spiegelstrukturen dienen, wie sie oben bezüglich der 2A bis 2D erläutert wurden.
-
In dem Substrat 50 ist ferner eine Trigger-Struktur 70 vorgesehen. Von den in 4 gezeigten Kanälen sind die Kanäle K1, K2 und K3 mit einer Flüssigkeit gefüllt, während die Kanäle K4, K5 und K6 nicht mit einer Flüssigkeit gefüllt sind und somit Luft enthalten.
-
Oberhalb des Substrats, das als Rotationsscheibe ausgebildet ist, sind eine Lichtquelle 72 und ein Lichtdetektor 74 angeordnet. Die Lichtquelle 72 kann eine Laserdiode aufweisen, und der Lichtdetektor 74 kann eine Photodiode aufweisen. Mit der Lichtquelle 72 und dem Lichtdetektor 74 verbunden ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 76, die einen geeigneten Schaltungsaufbau aufweist, um die Lichtquelle 72 anzusteuern und die Erfassungssignale von dem Lichtdetektor 74 zu empfangen und auszuwerten.
-
Wie dem linken Teil von 4 zu entnehmen ist, sind die Lichtquelle 72 und der Lichtdetektor 74 radial an einer vorbestimmten Position bezüglich der Kanäle angeordnet, so dass mittels derselben erfasst werden kann, ob die Kanäle bis zu dieser Position befüllt sind. Alternativ könnte die Anordnung aus Lichtquelle und Lichtdetektor wiederum entlang der Länge der Kanäle (also radial) verschiebbar sein, um die tatsächliche Füllmenge in jedem der Kanäle erfassen zu können.
-
Das in 4 gezeigte Beispiel stellt eine zentrifugale Plattform dar, wobei im Betrieb das Substrat unter Verwendung des Antriebsmotors 54 einer Rotation mit einer geeigneten Frequenz unterworfen wird, wobei denkbare Frequenzen bei bis zu 60 Hz und darüber liegen. Die Lichtquelle 72 und der Lichtdetektor 74 verbleiben dabei stationär, können jedoch, wie oben ausgeführt wurde, in radialer Richtung translatorisch verschiebbar sein. Nach einem Einfüllen von Flüssigkeit wird diese durch das intrinsische zentrifugale Feld nach außen getrieben und füllt somit den radial äußeren Teil der Kanalstrukturen K1 bis K3, deren radial äußeres Ende verschlossen ist. Ferner flacht die Volumenkraft die Menisken der nach außen getriebenen Volumina ab. Das opto-fluidische Schema stellt somit einen zuverlässigen Volumenkontrollsensor dar, wobei beispielsweise das Vorliegen einer ausreichenden Probenmenge nach dem Einfüllen angezeigt werden kann.
-
5 zeigt das mittels der Anordnung von 4 erhaltenen Messergebnis bei befüllten Kanälen K1 bis K3, wobei die Kanäle K1 bis K3 jeweils durch einen Winkel von 60° voneinander getrennt sind, und wobei die Triggerstruktur 70 mittig zwischen den Kanälen K1 und K6 angeordnet ist. Die Triggerstruktur 70 kann durch drei V-förmige Rillen gebildet sein, von denen jede beispielsweise einer Spiegelstruktur 20, wie sie oben bezugnehmend auf die 2A bis 2D erläutert wurde, entsprechen kann. Bewegt sich die Triggerstruktur 70 bei Rotation des Substrats 50 an Lichtquelle 72 und Detektor 74 vorbei, wird der Lichtstrahl 14 jeweils intern total reflektiert und erzeugt den in 5 mit xT bezeichneten Signalanschnitt. Wenn sich das Substrat 50 gegen den Uhrzeigersinn dreht, fällt der Lichtstrahl 14 zunächst auf die linke V-förmige Rille, wo eine interne Totalreflexion stattfindet, die jedoch durch den Detektor 74 aufgrund seiner vorbestimmten Anordnung zu der Lichtquelle 72 nicht erfasst wird. Nachfolgend trifft der Lichtstrahl 74 auf die mittlere V-Rille der Triggerstruktur 70 und wird von dem rechten schrägen Wandabschnitt dieser mittleren V-Rille in Richtung der linken V-Rille intern total reflektiert und von dieser in den Detektor 74 intern total reflektiert. Im Anschluss trifft der Lichtstrahl auf die rechte V-Rille und wird vom rechten schrägen Wandabschnitt derselben in Richtung der mittleren V-Rille total reflektiert und von dem linken schrägen Wandabschnitt der mittleren V-Rille zu dem Detektor 74 intern total reflektiert. Dadurch erzeugt die Trigger-Struktur zwei Signale aufgrund der drei V-Rillen, deren gesättigte Spitzen sich jedoch überlappen, wie durch den Signalabschnitt xT gezeigt ist.
-
Die Kanäle K4 bis K6, die nicht mit Flüssigkeit gefüllt sind, und deren zugeordnete Spiegelstruktur 60 und 62 erzeugen auf vergleichbare Weise jeweils zwei Signale, deren gesättigte Spitzen sich überlappen, wie durch die Signalabschnitte x1 und xK5 und xK6 in 5 gezeigt ist. Bei den Kanälen K1 bis K3, die jeweils mit Flüssigkeit gefüllt sind, finden entsprechende interne Totalreflexionen nicht statt, so dass dieselben entsprechende Signalabschnitte nicht erzeugen. Vielmehr findet bei diesen Kanälen K1 bis K3, bei dem gezeigten Beispiel, bei dem die Kanäle gefräst sind, lediglich herstellungsbedingt eine Streuung an den Kanaloberflächen statt, so dass kleine Spitzen entstehen, wie in 5 durch Signalabschnitte xK1, xK2 und xK3 gezeigt ist. Die Kanäle können durch jede andere geeignete Technik gebildet sein, beispielsweise Ätzen oder Spritzgießen.
-
Die Auswerteeinrichtung 76 kann ausgelegt sein, um basierend auf dem so erhaltenen Erfassungssignal von dem Detektor 74 auf den Füllzustand der jeweiligen Kanäle zu schließen. Der durch die Trigger-Struktur 70 erzeugte Signalabschnitt xT ist dabei von den übrigen Signalabschnitten unterscheidbar, da der Abstand zu den benachbarten Kanalstrukturen lediglich 30° beträgt, während der Abstand zwischen Kanalstrukturen 60° beträgt. Die Trigger-Struktur könnte auf andere Weise ausgestaltet sein, um einen von den Kanalstrukturen K1 bis K6 unterscheidbaren Signalverlauf zu erzeugen. Beispielsweise könnte die Trigger-Struktur auch durch breitere V-Rillen oder durch eine größere Anzahl von V-Rillen gebildet sein.
-
Die Signalspitzen xK1 bis xK3, die an sich Rauschen darstellen und durch die Streuung an den rauen Kanaloberflächen zustande kommen, können sich vom Nullpegel des Detektors um einen Faktor von 10 unterscheiden und können somit zu einer internen Qualitätssteuerung eines Fehlererfassungssystems beitragen, beispielsweise, um festzustellen, ob die Lichtquelle 72 an ist. Der durch die Trigger-Struktur erzeugte Signalabschnitt ermöglicht aufgrund der festen räumlichen Zuordnung zwischen der Trigger-Struktur und den Kanalabschnitten die Zuordnung jeweiliger Signalabschnitte in dem Detektorsignal zu jeweiligen Kanalabschnitten.
-
In der Praxis betrifft die Qualitätssteuerung von Flüssigkeitshandhabungsoperationen häufig ferner die Erfassung von Gasblasen, die die Funktionsprinzipien ebenso wie die Verifikation von Füllhöhen, um Füllpegel, beispielsweise minimale, zu validieren, stören können. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können eingesetzt werden, um Gasblasen in einer Kanalstruktur zu erfassen, beziehungsweise um eine Verteilung von Flüssigkeit und Gas entlang einer Kanalstruktur zu erfassen, indem eine Anordnung mit Lichtquelle und Lichtdetektor entlang einer Kanalstruktur bewegt wird.
-
Ein Kanal 90 mit einer Länge L in Richtung der länglichen Erstreckung (x) desselben ist in 6A gezeigt. Der Kanal kann beispielsweise als eine V-Rille in einem Substrat (gebildet) sein, in dem ferner wiederum eine Spiegelstruktur 92 gebildet sein kann. Die Spiegelstruktur 92 kann wiederum als eine V-Rille gebildet sein, die parallel zu dem Kanal 90 verläuft. Eine Lichtquelle 94 ist bezüglich des Kanals 90 ausgerichtet, um einen Lichtstrahl 96 auf einen der Spiegelstruktur 92 zugewandten schrägen Wandabschnitt des Kanals 90 zu richten. Abhängig davon, ob eine Flüssigkeit an diesem Wandabschnitt in dem Kanal 90 vorliegt, wird der Lichtstrahl 96 intern total reflektiert und fällt als intern total reflektierter Lichtstrahl 96a auf einen zugewandten schrägen Wandabschnitt der Spiegelstruktur 92, an dem derselbe intern total reflektiert wird, da die Spiegelstruktur 92 mit Gas, beispielsweise Luft, gefüllt ist. Der somit erhaltene Lichtstrahl 96b fällt dann auf einen Detektor 98, der in entsprechender vorbestimmter räumlicher Beziehung zu der Lichtquelle 94 angeordnet ist.
-
Eine Antriebseinrichtung 100 ist vorgesehen, die ausgebildet ist, um die Anordnung aus Lichtquelle 94 und Lichtdetektor 98 entlang der länglichen Erstreckung des Kanals 90 zu bewegen, das heißt in Richtung des Pfeils 102 in 6A. Ferner ist in 6A schematisch eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 104 vorgesehen, die die Lichtquelle 94 ansteuert und/oder Ausgangssignale des Lichtdetektors 98 empfängt, um auf der Grundlage dieser Ausgangssignale das Vorliegen von Flüssigkeit oder Gas in dem Kanal 90 zu bewerten. Die Lichtquelle 94 kann wiederum eine Laserdiode aufweisen, während der Lichtdetektor 98 wiederum eine Photodiode umfassen kann.
-
Zwei beispielhafte Gasblasen 110 sind in dem Kanal 90 in 6A gezeigt. Diese Gasblasen haben an der Wand des Kanals 90 eine interne Totalreflexion zur Folge, so dass der Detektor 98 das in 6B gezeigte Signal erzeugt. Aus diesem Signal kann die Auswerteeinrichtung 104 die Verteilung von Gas und Flüssigkeit in dem Kanal 90 bestimmen, wobei ein hoher Signalpegel Gas anzeigt, während ein tiefer Signalpegel eine Flüssigkeit anzeigt.
-
Bei dem in 6A gezeigten Beispiel sind somit die Lichtquelle 94 und die Photodiode 98 auf einer Translationsstufe befestigt, um die Verteilung von Flüssigkeit in teilweise gefüllten stationären mikrofluidischen Strukturen aufzuzeichnen. Wenn ein leerer (Gas) Abschnitt durch die Lichtquelle beleuchtet wird, erfasst die Photodiode ein gesättigtes Signal, während ein gefülltes Kanalsegment ein deutlich gedämpftes Signal (beispielsweise Null) erfasst. Eine hochgenaue Ausrichtung ist nicht erforderlich. Beispielsweise kann durch die Verwendung gesättigter Signale in Kanälen einer Tiefe von beispielsweise 300 μm die laterale Ausrichtung der Lichtquelle und des Detektors in der Ebene des Substrats jeweils um ±0,5 mm variiert werden, bis die „gefüllten” und „leeren” Signale nicht mehr unterscheidbar sind. Der vertikale Abstand zwischen dem Substrat und dem Lichtdetektor beziehungsweise zwischen dem Substrat und dem Laser kann ebenfalls um mehrere cm verschoben werden, ohne die Sensorfunktion zu behindern. Wie in 6B gezeigt ist, kann eine exzellente Übereinstimmung zwischen dem Kanalbild und dem Signal, das durch den opto-fluidischen Detektor aufgezeichnet wird, erreicht werden, wobei Tests eine Positionsgenauigkeit von mehr als 250 μm entlang der Kanalachse zeigten.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können sich der Kanal 90 und die Spiegelstruktur 92 radial auf einem Rotationskörper erstrecken. Dabei kann neben einer translatorischen Relativbewegung zwischen Lichtstrahl und Kanal ferner eine rotatorische Relativbewegung zwischen denselben stattfinden.
-
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besitzt der Wandabschnitt, an dem füllungsabhängig eine interne Totalreflexion stattfindet oder nicht, bei senkrechtem Strahleinfall eine Neigung von 45° bezüglich der Substratebene. Dadurch kann bei einem ungefüllten Kanal der Strahl an einer Luft-Polymer-Grenzfläche durch interne Totalreflexion um 90° in die Ebene des Substrats abgelenkt werden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann dann ein paralleler Hilfskanal, der permanent leer bleibt, verwendet werden, um den Strahl aus dieser Ebene in einen Lichtdetektor, der einfacher Lichtdetektor, beispielsweise eine Photodiode sein kann, benachbart zu dem Laser abzulenken. Wie ausgeführt wurde, findet, wenn Flüssigkeit in dem Kanal vorliegt, keine interne Totalreflexion statt. Statt dessen wird der Strahl gebrochen und setzt seinen Weg durch das Substrat fort, so dass er von dem Detektor nicht erfasst werden kann.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen einen binären, opto-fluidischen Lichtschalter, der robust ist, keine Signalstärkekalibrierung benötigt und darüber hinaus wenig empfindlich gegenüber Ausrichtungsfehlern ist. Beispielsweise können erfindungsgemäße Vorrichtungen sogar große Ausrichtungsfehler von mehr als ±0,5 mm (beispielsweise für 300 μm tiefe Kanäle) zwischen Lichtquelle (beispielsweise Laserdiode) und Detektor (beispielsweise Photodiode) tolerieren.
-
Die TIR-Strukturen können ohne weiteres in optisch-transparenten Polymersubstraten erzeugt werden, indem Standardtechniken, wie zum Beispiel Spritzgießen verwendet werden. Dabei können auch Hilfs-TIR-Strukturen, die als Spiegelstrukturen dienen, ohne Erhöhung der Produktionskosten hergestellt werden. Aufgrund der äußerst einfachen, ggf. sogar monolithisch im Substrat herstellbaren und rein passiven zur Füllzustandserfassung erforderlichen Strukturen kann ein opto-fluidischer Strahlschalter eine sehr günstig zu implementierende und zugleich höchst zuverlässige Qualitätskontrolle darstellen. Ferner ist es möglich, TIR-basierte Messverfahren auch während einer Rotation mit hoher Qualität auszulesen, so dass sich dieses Prinzip insbesondere auch für zentrifugale Systeme eignet.
-
Bei zentrifugalen mikro-fluidischen Technologien treibt die Dichte-abhängige Volumenkraft die Flüssigkeit vollständig in den radial äußeren Teil einer Kanalstruktur, während Gasblasen zu dem Drehzentrum hin verschoben werden. Zu erhöhten Drehfrequenzen hin überwiegt die Zentrifugalkraft auch die Oberflächenspannung, so dass der in Ruhe normalerweise durch die Oberflächenspannung gekrümmte Meniskus abgeflacht wird. Unter Berücksichtigung der Kanalgeometrie, die ja bekannt ist, schafft die Erfindung somit eine einfache und zuverlässige Einrichtung für eine Volumenmessung.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Spiegelstrukturen vorgesehen, so dass Lichtquelle und Lichtdetektor auf einer Seite des Substrats angeordnet sind. Alternativ könnten Lichtquelle und Lichtdetektor einander gegenüberliegend auf unterschiedlichen Seiten des Substrats vorgesehen sein, wobei der Detektor immer dann ein Signal erzeugen würde, wenn keine interne Totalreflexion stattfindet. Auch bei einer solchen Anordnung könnte ein mit Flüssigkeit gefüllter Kanal von einem mit Gas gefülltem Kanal unterschieden werden, wobei ein hoher Pegel erhalten werden würde, wenn ein mit Flüssigkeit gefüllter Kanal zwischen Lichtquelle und Lichtdetektor angeordnet ist, während ein tiefer Pegel erhalten werden würde, wenn ein mit Gas gefüllter Kanal zwischen der Lichtquelle und dem Empfänger angeordnet wäre. Dabei sind jedoch hinsichtlich der Anordnung von Lichtquelle und Lichtdetektorbrechungseffekte zu berücksichtigen.
-
Die vorliegende Erfindung schafft somit Vorrichtungen und Verfahren zur Bewertung eines Füllzustands einer mit einer Flüssigkeit befüllbaren Fluidikstruktur unter Verwendung des Prinzips der internen Totalreflexion. Ein durch ein Substrat auf einen Wandabschnitt eines in demselben gebildeten Kanal treffender Lichtstrahl wird abhängig davon, ob in dem Kanal eine Flüssigkeit vorliegt oder nicht, total reflektiert oder nicht. Die Kanäle müssen dabei nicht die bei den obigen Ausführungsbeispielen beschriebene V-Form aufweisen, solange die Winkelbeziehung zwischen dem Lichtstrahl und dem Wandabschnitt, auf den derselbe trifft, derart ist, dass füllungsabhängig eine interne Totalreflexion stattfindet. Ein Winkel von 45° kann dabei bevorzugt sein, um einen senkrecht in eine Hauptfläche eines Substrats einfallenden Lichtstrahls in die Ebene des Substrats abzulenken. Zwischen Lichtquelle und Substrat beziehungsweise Photodetektor und Substrat können weitere optische Elemente, wie zum Beispiel Linsen, Filter und dergleichen vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein das Substrat verlassender Erfassungsstrahl über eine Lichtleitfaser zu einer Photodiode geleitet werden.
-
Das Substrat kann unter Verwendung beliebiger geeigneter Herstellungstechniken, beispielsweise Spritzgießen oder mikromechanische Verfahren, wie Ätzen, Schleifen, Fräsen und dergleichen aus beliebigem geeigneten Materialien hergestellt werden, wie (zum Beispiel Glas, Silizium und Polymeren, wie z. B. PMMA, um nur eines zu nennen). Die Fluidikstrukturen können in einer Oberfläche des Substrats gebildet sein und durch einen Deckel abgedeckt sein, wobei der Deckel aus den gleichen Materialien wie das Substrat oder davon verschiedene Materialien bestehen kann. Das Substrat und der Deckel sind vorzugsweise optisch transparent.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung eignen sich, um den Füllstand einer Fluidikstruktur in einem Rotationskörper zu bewerten, die ein geschlossenes, radial äußeres Ende aufweist. Das radial äußere Ende muss jedoch nicht geschlossen sein, sondern vielmehr kann die Fluidikstruktur am radial äußeren Ende mit einem Flussschalter versehen sein, der bei einer Rotation mit einer bestimmten Rotationsfrequenz, bei der der Füllzustand bewertet werden soll, ein Passieren der Flüssigkeit verhindert, beispielsweise in Form einer Siphonstruktur, eines kapillaren Schalters oder eines hydrophoben Schalters. Ferner bedarf es hierin keiner weiteren Erläuterung, dass die erfindungsgemäßen Strukturen ohne weiteres mit weiteren Fluidikstrukturen in einem Substrat kombiniert werden können, beispielsweise solchen, die zum Durchführen vollständiger Assays verwendet werden.
-
Die Antriebsvorrichtungen zur Erzeugung der Relativbewegung können unter Verwendung herkömmlicher Antriebe, Getriebe und Steuerungen implementiert werden, wie sie beispielsweise auf dem Gebiet kommerziell erhältlicher Verfahrmimiken bekannt sind. Derartige Vorrichtungen bedürfen hierin keiner weiteren Erläuterung. In gleicher Weise können die Steuerungs- und Auswerteeinrichtungen unter Verwendung von herkömmlichen Schaltungselementen und Schaltungsstrukturen implementiert werden, um die Ausgangssignale der Lichtdetektoren zu erfassen und auszuwerten. Auch diese Schaltungen bedürfen hierin keiner weiteren Erläuterung. Beispielsweise können die Steuerung und die Auswerteeinrichtung durch Software oder Hardware oder Kombinationen derselben implementiert sein, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Steuercode zum Implementieren des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf herkömmliche Weise in flüchtigen und nicht-flüchtigen Speichern abgelegt sein, beispielsweise CD-ROMs, Festplatten, Flashspeichern und dergleichen. Diesbezüglich umfasst die vorliegende Erfindung auch Programmcode, der beim Durchführen auf einem Computer oder einem Mikroprozessor eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Folge hat.
-
Bei Ausführungsbeispielen kann die Antriebsvorrichtung ausgebildet sein, um sowohl eine translatorische Relativbewegung als auch eine rotatorische Relativbewegung zu bewirken. Bei Ausführungsbeispielen können hierzu mehrere Antriebsvorrichtungen vorgesehen sein. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Antriebsvorrichtung oder die Antriebsvorrichtungen ausgebildet sein, um nach Bedarf die Lichtquelle und den Lichtdetektor gemeinsam oder separat anzutreiben.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Abstand zwischen Lichtquelle und Lichtdetektor angepasst, um einen von dem Wandabschnitt und einer Spiegelstruktur reflektierten Lichtstrahl detektieren zu können. Dabei kann der Abstand zwischen Lichtquelle und Lichtdetektor dem Abstand zwischen dem Wandabschnitt und der Spiegelstruktur entsprechen. Alternativ kann, beispielsweise bei dem in 4 gezeigten Beispiel, der Abstand von Lichtquelle und Lichtdetektor dem Abstand der äußeren Spiegelstrukturen 60 und 62 entsprechen, so dass im Falle des Vorliegens einer Flüssigkeit in der dazwischenliegenden Fluidikstruktur K4 an dem Detektor ein hoher Pegel erfasst wird und beim Fehlen einer Flüssigkeit ein tiefer Pegel erfasst wird, da der Lichtstrahl durch die Fluidikstruktur K4 derart reflektiert wird, dass er nicht mehr direkt auf den Detektor fällt.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine ortsfeste Detektorzeile verwendet werden. Die ortsfeste Detektorzeile kann ausgebildet sein, um entlang einer länglichen Kanalstruktur, die einen länglichen Wandabschnitt aufweist, angeordnet zu sein, so dass abhängig von der relativen Position des Lichtstrahls entlang des länglichen Wandabschnitts unterschiedliche Bereiche der Detektorzeile erfassen, ob ein Lichtstrahl total reflektiert wurde oder nicht.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können ablenkbare Spiegel zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Lichtstrahl und Fluidikstruktur verwendet werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung können hierzu drehbare Spiegel aufweisen. Weitere Ausführungsbeispiele können eine Zeile von Lichtquellen aufweisen, die sequentiell aktiviert werden, um dadurch eine Relativbewegung des Lichtstrahls zu der Fluidikstruktur zu bewirken.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können gekrümmte Wandflächen vorgesehen sein, um einen Linseneffekt (konvergent oder divergent) zu bewirken, um einer Strahlaufweitung entgegenzuwirken oder eine solche zu unterstützen. Bei Ausführungsbeispielen kann der Wandabschnitt eine gekrümmte Wandfläche aufweisen.
-
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können ein länglicher Wandabschnitt und eine längliche Spiegelstruktur ähnlich zu dem in 6A gezeigten Beispiel vorgesehen sein, wobei diese nicht parallel zueinander verlaufen. In einem solchen Fall kann eine minimale Füllhöhe erfasst werden, da bei einem Verfahren des Lichtstrahl entlang des länglichen Wandabschnitts nur an derjenigen, beispielsweise radialen, Position ein Signal erzeugt wird, an der der Abstand zwischen Wandabschnitt und Spiegelstruktur mit dem Abstand von Detektor und Strahlquelle übereinstimmt.
-
Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Spiegelstrukturen jeweils so angeordnet, dass der Lichtstrahl in die Richtung zurückreflektiert wird, aus der derselbe von der Lichtquelle kam. Alternativ könnte die Spiegelstruktur auch anders ausgerichtet sein, um den Strahl in eine beliebige Richtung abzulenken. Beispielsweise könnte dieselbe verglichen mit den 2A und 2B um 180° gedreht sein, so dass der Lichtstrahl in eine zu dem einfallenden Lichtstrahl entgegengesetzte Richtung reflektiert wird.
