DE102008042581A1

DE102008042581A1 - Mikrofluidische Extraktions- und Reaktionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008042581A1
Application number: DE102008042581A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Claußen; Stephan Wittayer; Susanne Selzer; Frithjof Von Dr. Germar
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: DE102008042581B4; WO2010037774A1; US8449830B2; US20110236273A1; EP2349565A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Anordnung (14) zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines Extraktes aus einer Probe und zum Überführen desselben in fließfähiger Form in einen mikrofluidischen Chip (12) mit einem Extraktor (30), der eine komprimierbare Extraktionskammer und mindestens eine Öffnung derselben aufweist, einem Reaktor (46), der eine Reaktionskammer (62), eine mit der mindestens einen Öffnung des Extraktors (30) kommunizierende Eintrittsöffnung, wobei die beiden Öffnungen einen Fließweg zwischen den Kammern definieren, eine Austrittsöffnung zur fluidischen Verbindung mit dem mikrofluidischen Chip (12) und eine Entlüftungsöffnung der Reaktionskammer (62) aufweist, und einer in den Fließweg zwischen dem Extraktor (30) und dem Reaktor (46) geschalteten Filteranordnung (34). Die Erfindung betrifft außerdem ein Lab-On-A-Chip-System (10) mit einer solchen mikrofluidischen Anordnung (14) und einem mit dem Reaktor (46) fest verbundenen mikrofludischen Chip (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Anordnung zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines fließfähigen Extraktes aus einer Probe und zum Überführen desselben in einen mikrofluidischen Chip. Die Erfindung betrifft ferner ein Lab-On-A-Chip-System mit einem solchen mikrofluidischen Chip einschließlich der mikrofluidische Anordnung.
Die Erfindung bewegt sich also auf dem technischen Gebiet der Extraktion von biochemischen oder chemischen Analyten, insbesondere DNA/RNA-Material, Proteinen, Zellen und/oder Bakterien aus Proben, insbesondere festen Proben, beispielsweise Bodenproben, Lebensmittel und dergleichen, mit anschließender Umsetzung. Beispielsweise bei der Extraktion von DNA/RNA aus Proben wird die Probe bekanntermaßen mit einem Extraktionspuffer versetzt, gemischt und anschließend filtriert. Das Extrakt oder Filtrat wird dann meist in einem geeigneten Behälter einer weiteren Bearbeitung unterzogen. Dies kann ein molekularbiologischer Prozess (beispielsweise das Labelling bei einem Immunoassay) oder die Lyse bei einem DNA-Assay sein.
Während die weitere Bearbeitung des Extraktes im mikrofluidischen Maßsstab – hiermit sind Filtratmengen von weniger als 5 Millilitern, typischerweise in der Größenordnung von 1 μl bis 1000 μl und insbesondere von weniger als 500 μl gemeint – bekannt ist, wird die Extraktion selbst bekanntermaßen im makroskopischen oder Labormaßstab (Filtratmengen im mehrstelligen Milliliter- bis Literbereich) in mehreren Schritten manuell durchgeführt. Dabei stellt sich insbesondere die Übergabe des extrahierten Probenmaterials an den mikrofluidischen Chip als problematisch dar. Auf diesem Weg kann ein nicht unerhebli cher Verlust an Probenmaterial erfolgen. und, wie auch bei der Übergabe von einem Gefäß auf ein anderes, eine Kontaminationsgefahr entstehen. Ferner ist es nicht einfach, das Extrakt ohne Verlust der fluidischen Kontrolle in den Chip einzubringen. Nicht zuletzt ist die Extraktion im Labormaßstab teuer und setzt große Mengen der Ausgangssubstanzen, insbesondere des Probematerials voraus.
Einen Schritt in Richtung mikrofluidischer Extraktion geht ein Extraktionssystem, das beispielsweise in der Veröffentlichung „Sample Preparation for the Analysis of Gluten from Fondstuff in a Modular Chip-Plafform" anlässlich der 10th International Conference an Miniaturized Chemistry and Life Science, vom 5. bis 9. November 2006 in Tokyo, Japan, beschrieben ist. Dieses Extraktionssystem verwendet zum Durchmischen der Probe mit einem Extraktionspuffer eine auf einer Peristaltik- oder Schlauchquetschpumpe basierende Methode. Zum Abtrennen der ungelösten Probenbestandteile wird anstelle eines Filters eine Zentrifuge eingesetzt. Die Bemühungen, die Zentrifugation selbst auf den Maßstab mikrofluidischer Chips zu reduzieren sind in der DE 10 2006 003 532 A1 näher beschrieben. Die Zentrifuge ist ein- und ausgangsseitig über ein fluidisches Verbindungsstück mit einem Mikrofluidik-Chip verbunden.
Der technische Aufwand der Zentrifugenextraktion ist allerdings sehr hoch. Die aus vorgenannter Druckschrift bekannte Zentrifuge enthält sehr viele, teilweise bewegliche Einzelteile und ist deshalb insbesondere für die einmalige Verwendung zu teuer. Außerdem sind die mit dem Handling der Probe und des Extraktes verbundenen Problem nicht gelöst. Das Befüllen des Extraktors einerseits und die Übergabe des extrahierten Probenmaterials von dem Extraktor zur Zentrifuge stellen sich weiterhin problematisch dar. Auf diesem Weg kann ein nicht unerheblicher Verlust an Probenmaterial erfolgen und eine Kontaminationsgefahr bei der Übertragung von einem auf den nächsten Abschnitt der Apparatur einhergehen.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die Durchführung der Extraktion aus den vorgenannten Gründen derzeit kostenintensiv, zeitaufwendig ist und mit einem erhöhten Kontaminationsrisiko für Personal und Umwelt verbunden ist.
Die Extraktion und Aufbereitung einer Probe im Chip-Format, also in mirkrofluidischen Mengen, mittels eines unmittelbar an einen mikrofluidischen Chip anschließbaren Moduls oder einer mikrofluidischen Anordnung ist derzeit nicht bekannt.
Eine einfache Miniaturisierung bekannter Filtrationsverfahren wäre indes mit weiteren Problemen verbunden. Herkömmliche Filteranordnungen zur Probenextraktion haben den Nachteil, dass die Filterporen sehr schnell verstopfen, was der Miniaturisierung zwangsläufig eine Grenze setzt. Ein großer Druckunterschied bei der Filtration würde ferner zu einem sehr schnellen Transport des Extrakts in einem angeschlossenen Mikrofluidik-Chip führen, wodurch dort die fluidische Kontrolle gefährdet wäre. Auch die Druckfestigkeit üblicher mikrofluidischer Chips wäre nicht ausreichend, um den bei der Filtration auftretenden Drücken Stand zu halten.
Die Erfindung hat zum Ziel vorstehende Probleme zu überwinden.
Vorstehende Aufgabe wird mit einer mikrofluidischen Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß weist die mikrofluidische Anordnung einen Extraktor, einen mit dem Extraktor über einen Fließweg kommunizierenden Reak tor und eine in den Fließweg zwischen dem Extraktor und dem Reaktor geschalteten Filteranordnung auf. Der Extraktor weist seinerseits eine komprimierbare Extraktionskammer und mindestens eine Öffnung derselben auf. Der Reaktor weist eine Reaktionskammer, eine mit der mindestens eine Öffnung des Extraktors kommunizierende Eintrittsöffnung, wobei die beiden Öffnungen einen Fließweg zwischen den Kammern definieren, eine Austrittsöffnung zur fluidischen Verbindung mit dem mikrofluidischen Chip und eine Entlüftungsöffnung der Reaktionskammer auf.
Vorteil der erfindungsgemäßen mikrofluidische Anordnung ist, dass mit einer geringen Anzahl von Bauelementen die volle Funktionalität einer Extraktionsvorrichtung in Kombination mit einer Reaktionskammer verwirklicht ist. Die Extraktion findet in der Extraktionskammer statt, in welche zuvor die Probe zusammen mit dem Extraktionspuffer eingegeben wird. Durch Komprimierung des Extraktionskammervolumens wird der flüssige Anteil des Extrakts aufgrund einer Druckdifferenz durch die Filteranordnung gepresst. Ungelöste Festbestandteile werden in der Filteranordnung zurückgehalten. Die flüssige Phase passiert die Filteranordnung und gelangt in die Reaktionskammer.
Erfindungserheblich ist ferner, dass die Reaktionskammer mittels der Entlüftungsöffnung, die eine Verbindung zwischen der Reaktionskammer und der Umgebung schafft, auf nahezu konstantem, Druck gehalten wird, während beispielsweise in der Extraktionskammer beim Komprimieren der Druck ansteigt. Hierdurch ist stets eine ausreichende Druckdifferenz zwischen den Kammern sichergestellt, die bei ausreichender Dimensionierung der Filteranordnung einem Verstopfen des Filters entgegenwirkt. Ferner wird der Druck aus der Extraktionskammer auch nicht über die Reaktionskammer und deren Austrittsöffnung in das mikrofluidische Kanalsystem des Chips eingebracht und führt daher nicht zu einem unkontrollierten Fließverhalten, insbesondere nicht zu einem oder ungewollten Abfluss des Extraktes aus der vorzugsweise unten liegenden Austrittsöffnung aus dem Reaktor in den Chip. Die Steuerung des Flusses im Chip erfolgt in gewohnter Weise durch eine anderweitig an den Chip angelegte Druckdifferenz (beispielsweise mittel Pumpe oder Spritze) und eine geeignete Ventilsteuerung. Auch eine Steuerung über Kapillarkräfte ist in Ergänzung oder als Alternative zu den genannten Varianten auf Grund der Entkopplung zwischen Druck im Extraktor und mikrofluidischen Chip möglich.
Bevorzugt weist der Extraktor eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf, die die komprimierbare Extraktionskammer einschließt.
Die Realisierung der komprimierbaren Extraktionskammer durch eine Zylinder-Kolben-Anordnung ist technisch besonders einfach. Dabei kann sowohl der Zylinder als auch der Kolben kostengünstig aus einem geeigneten Polymermaterial durch Spritzguss, Heißprägen oder Reaktionsgießen hergestellt werden.
Eine Ausführungsform der Zylinder-Kolben-Anordnung sieht vor, die Reaktionskammer und die Extraktionskammer als durchgehenden, vorzugsweise zylinderförmigen Hohlraum oder hintereinander angeordnete vorzugsweise zylinderförmige Hohlräume gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers auszubilden. Die Filteranordnung teilt in Form einer Trennwand den Hohlraum bzw. die Hohlräume funktional in die Extraktions- und Reaktionskammer. Ein Kolben wird ähnlich einer Spritze zur Aufbringung des notwendigen Filtrationsdruckes in den Hohlraum der Extraktionskammer eingeschoben. Die Reaktionskammer und eventuell auch die Extraktionskammer können in dieser Ausführungsform als separates, beispielsweise hohlzylinderförmiges Bauteil an einen mikrofluidischen Chip angeflanscht oder durch Ausbildung des Hohlraums in einem dickeren Bereich des Chips in diesen integriert sein. Insbesonde re sind Chip und Reaktor und evtl. Extraktor dann einstückig ausgebildet.
Alternativ kann der Reaktor auch als eigenständiger, vorzugsweise zylindrischer Einsatz oder Kapsel ausgebildet sein, der in einen Abschnitt des vorzugsweise zylindrischen Hohlraumes fluiddicht eingepasst ist. Der übrige Teil des Hohlraumes bildet die Extraktionskammer. Die Filteranordnung wird durch den Abschnitt der Wand des Einsatzes gebildet oder ist in diesen integriert, der an die Extraktionskammer angrenzt.
Aus nahe liegenden fertigungstechnischen Gründen weisen die die Kammern bzw. Zylinder bildenden Hohlräume und die den Kolben bildenden Außenkonturen bei den vorgenannten Ausführungsformen vorzugsweise eine zylindrische Geometrie auf.
Vorteilhafter Weise ist der Zylinder des Extraktors relativ zu der Filteranordnung und dem Reaktor verschiebbar, wobei die Filteranordnung und/oder der Reaktor zumindest teilweise dem Kolben zugeordnet sind oder diesen bilden.
Dies lässt sich besonders gut dann realisieren, wenn der Reaktor in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet ist, der außenumfänglich zumindest auf einem axialen Abschnitt in die Bohrung der Extraktorzylinders hineinpasst. Im Inneren des Reaktorzylinders ist die Reaktionskammer ausgebildet, die durch die Filteranordnung gegenüber der Extraktionskammer stirnseitig räumlich begrenzt, aber nicht fluiddicht verschlossen ist. Eine mikrofluidische Anordnung dieser Bauform kann besonders kostengünstig hergestellt werden und ist daher insbesondere als Einwegvorrichtung geeignet.
Die Filteranordnung weist bevorzugt wenigstens ein Filterelement und eine mit dem Reaktor verbundene und das Filterelement gegen die Ein trittsöffnung des Reaktors andrückende Filterfassung auf. Die Filterfassung ist form-, reib- und/oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Laserschweißen, Kleben oder Verpressen, fest mit dem Reaktorzylinder verbunden. Zur Stabilisation des Filterelements kann vor der Eintrittsöffnung des Reaktors eine Filterauflage angeordnet werden. Ist auf diese Weise auch sichergestellt, dass das Filterelement fluiddicht an der Filterfassung anliegt oder mit dieser verbunden ist, ist ferner gewährleistet, dass das Extrakt auf dem Wege in die Reaktionskammer das Filterelement passieren muss, so dass keine unerwünschten Partikel in die Reaktionskammer gelangen können.
Um die Zylinder-Kolben-Anordnung in dieser Ausprägung auf einfache Weise fluiddicht gegenüber der Außenwelt zu gestalten, weist die Filterfassung zweckmäßigerweise ebenfalls eine zylinderförmige Außenkontur auf. Bei entsprechender Passgenauigkeit kann die Filterfassung in den Hohlzylinder des Extraktors eingepresst sein. Alternativ ist zwischen einer Außenwand der Filterfassung und einer Innenwand des Extraktorzylinders ein Dichtelement angeordnet. Das Dichtelement kann bei hinreichender Elastizität des Materials der Filterfassung in Form einer einstückigen Dichtlippe oder in Form eines separaten Dichtringes ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Extraktor ein in der Extraktionskammer eingeschlossenes Rührelement auf.
Dies kann beispielsweise ein Magnetrührstab (auch Rührfisch genannt) oder ein anderweitig berührungslos angetriebenes Rührelement sein. Alternativ oder unterstützend kann ein Mischeffekt auch durch Schalleintrag, Vibration oder Konvektion durch Erhitzung bzw. Kühlung oder durch eine Kombination vorgenannter Maßnahmen erzielt werden.
Der Reaktor in Form eines Hohlzylinders weist bevorzugt einen Flansch zum Befestigen auf einem mikrofluidischen Chip auf.
Das erfindungsgemäße Lab-On-A-Chip-System weist eine mikrofluidische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art mit einem Extraktor, einem Reaktor und einer Filteranordnung und einen mit dem Reaktor fest verbundenen mikrofluidischen Chip auf.
Unter „fest verbunden” ist hier im Gegensatz zum Stand der Technik (z. B. Schlauchverbindung) eine unmittelbar körperlich benachbarte Anordnung, ggf. unter Zwischenschaltung einer Dichtung, zu verstehen. Der Reaktor ist dabei beispielsweise mit dem vorerwähnten Flansch bevorzugt mittels geeigneter Befestigungsmittel (beispielsweise Schrauben oder Klammerelementen) durch Formschluss oder mittels Stoffschluss (Kleben, Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen) direkt auf den mikrofluidischen Chip geflanscht.
In dem erfindungsgemäßen, integrierten Lab-On-A-Chip-System können die gesamten Prozessschritte einer chemischen oder biochemischen Analyse von der Aufbereitung der Probe bis zur Gewinnung oder bis zum Nachweis des Analyten abgebildet werden, unter Vermeidung der im Laborbetrieb notwendigen zahlreichen aufwendigen und oft fehlerbehafteten Einzelschritte. Beispiele für Analysen sind Enzyme Linked Immunosorbent Assays (ELISA), Polymerase Chain Reaction (PCR).
Wenigstens ein Kanal ist in dem mikrofluidischen Chip vorgesehen, der mit der Austrittsöffnung des Reaktors kommuniziert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der mikrofluidische Chip eine Ventilanordnung zum wahlweise Verbinden oder Trennen des oder der mit der Austrittsöffnung des Reaktors kommunizierenden Kanals/Kanäle mit wenigstens einer Zu- und/oder Ableitung auf.
Dies ermöglicht, dass beispielsweise ein oder mehrere verschiedene Reagenzien und/oder Gase nacheinander oder gleichzeitig durch die Zuleitung/en in dem Chip in die Reaktionskammer eingegeben und/oder Extrakt durch die Ableitung/en in dem Chip aus der Reaktionskammer zur weiteren Verarbeitung oder Untersuchung abgeführt werden können. Ein Über- oder Unterdruck in der Reaktionskammer kann wiederum bedingt durch die Entlüftungsöffnung in derselben nicht entstehen. Ein besonderer Anwendungsfall ist die Einleitung von Luft in die Reaktionskammer zum Zweck des Mischens der in der Reaktionsbefindlichen Flüssigkeit mittels Luftblasen. Zu diesem Zweck wie auch zum sicheren Entleeren der Reaktionskammer befindet sich deren Austrittsöffnung am tiefsten Punkt der Reaktionskammer.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lab-On-A-Chip-Systems;
2 eine Schnittdarstellung des Lab-On-A-Chip-Systems gemäß 1;
3A eine seitliche Schnittdarstellung zur Illustration eines Anwendungsfalles des erfindungsgemäßen Lab-On-A-Chip-Systems und
3B eine Draufsicht auf die Systemanordnung gemäß 3A.
In den 1 und 2 ist das erfindungsgemäße Lab-on-a-Chip-System 10 anhand einer Ausführungsform mit einem mikrofluidischen Chip 12 und einer mikrofluidischen Anordnung 14 zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines Extraktes aus einer Probe und zum Überführen derselben in fließfähiger Form in den mikrofluidischen Chip 12 illustriert. Der mikrofluidische Chip weist eine Ventilanordnung 16 auf, die wahlweise eine oder mehrere Zu- und/oder Ableitungen 18 mit einem Kanal 20 verbindet oder von diesem trennt. Beispielsweise geeignete Ventilanordnungen sind in den derzeit noch unveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2008 002 674.3 oder DE 10 2008 002 675.1 beschrieben. Diese weisen einen relativ zu dem Chip beweglich angeordneten Ventilkörper auf, der eine Dichtfläche aufweist und wenigstens einen Kanal zur wahlweisen Verbindung und/oder Trennung von Fluidleitungen in dem Substrat definiert, wobei die Dichtfläche des Ventilkörpers an einer Dichtfläche des Chips fluiddicht anliegt. Der Ventilkörperwird dazu entweder mittels eines mit dem Substrat stoffschlüssig verbundenen Andrückrings oder mittels eines mit dem Substrat formschlüssig verbundenen Klammerelementes gegen den Chip angedrückt, wobei der Andrückring bzw. das Klammerelement und/oder der Ventilkörper zumindest teilelastisch ist.
Der Kanal 20 mündet in einer trichterförmigen nach oben offenen Erweiterung (oder Ablauftrichter) 22 in dem mikrofluidischen Chip 12. Der Chip 12 besteht bekanntermaßen aus einem geeigneten Polymermaterial und weist eine im Wesentlichen rechteckige, flache Chipkartenform auf. Geeignete Kunststoffe sind Thermoplaste und Duroplaste, wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polyoxymethylen (POM), Polyetherketone (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cyclo-Olefin-Copolymere (COC), Zyklische Olefin Polymere (COP), Polycarbonat (PC). Der Chip 12 ist typischerweise wenige Millimeter dick, wobei die Kanalstrukturen von der Ober- und/oder Unterseite in das Substrat eingearbeitet sind und jeweils von der Ober- bzw. Unterseite mit einer dünnen Folie versiegelt werden.
Auf der Oberseite 24 des Chips 12 befindet sich die mikrofluidische Anordnung 14. Diese weist einen Extraktor 30, einen Reaktor 32 und eine Filteranordnung 34 auf. Der Extraktor 30 weist eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf, wobei Teile der Filteranordnung 34 und des Reaktors 32 den Kolben bilden. Der dem Extraktor 30 zugeordnete Zylinder 36 weist einen Zylindermantel 38 und einen Zylinderdeckel 40 auf, welcher mittels Schrauben 42 fest mit dem Zylindermantel 38 verbunden und mittels einer Dichtung 44 abgedichtet ist. Der Zylinder 36 schließt, auf der dem Zylinderdeckel 40 gegenüberliegenden Seite durch den Kolben und genauer durch die Filteranordnung 34 begrenzt, ein Volumen, nämlich die Extraktionskammer 46 ein. In die Extraktionskammer wird durch den zunächst geöffneten Zylinderdeckel 40 die Probe und ein Extraktionspuffer eingebracht und der Deckel 40 anschließend wieder verschlossen. Für eine einfachere Handhabung kann anstelle des mittels der Schrauben 42 fixierten Deckels ein Schraubdeckelverschluss, ein Schnapp- oder Klickverschluss oder eine Klebefläche eingesetzt werden.
In der Extraktionskammer 46 befindet sich ferner ein Rührelement 48 in Form eines magnetischen Rührstäbchens zum Mischen der Probe mit dem Extraktionspuffer. Der Extraktionszylinder 36 ist gegenüber dem Kolben, d. h. gegenüber der Filteranordnung 34 und dem Reaktor 32 in Axialrichtung verschiebbar. Auf diese Weise kann durch Druck von oben auf den Extraktionszylinder 36 das Extraktionsvolumen 46 komprimiert werden.
Die Filteranordnung 34 besteht im Wesentlichen aus einem oder mehreren Filterelementen 50, einer Filterfassung 52 und einer Filterauflage 54. Die Filterfassung weist eine zylinderförmige Außenkontur auf, in die eine Ringnut 56 zur Aufnahme eines Dichtrings eingelassen ist. Dieser Dichtring dichtet die Extraktionskammer 46 gegenüber der Außenwelt ab, so dass keine Flüssigkeit zwischen dem Extraktorzylinder 36 und dem Kolben austreten kann.
Der Reaktor 32 besteht im Wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Mantel (kurz Hohlzylinder) 58 mit einem einseitig einstückig angebrachten Flansch 60. Der Hohlzylinder 58 weist eine Durchgangsbohrung auf, die die Reaktionskammer 62 mit einer Eintrittsöffnung auf ihrer Oberseite und einer Austrittsöffnung auf ihrer Unterseite bildet. Auf der Unterseite des Flansches 60 und korrespondierend auf der Oberseite 24 des Chips 12 befindet sich jeweils eine Ringnut 64 gleichen Durchmessers zur Aufnahme eines Dichtringes. Alternativ kann die Ringnut auch entweder nur in den Flansch oder nur in den Chip eingearbeitet sein. Der Flansch 60 ist mittels einer Schraubverbindung 66 fest mit dem Chip 12 verbunden und mittels des Dichtringes abgedichtet, so dass keine Flüssigkeit aus der Reaktionskammer 62 an dieser Stelle in die Umgebung entweichen kann.
Die Austrittsöffnung der Reaktionskammer 62 ist auf die trichterförmige Aufweitung 22 in den mikrofluidischen Chip 12 ausgerichtet und steht somit in fluidischer Verbindung mit dem Kanal 20 des mikrofluidischen Chips 12. Das obere, offene Ende der trichterförmigen Aufweitung 22 weist einen etwas größeren Durchmesser als die Durchgangsbohrung der Reaktionskammer 62 auf. Dies stellt sicher, dass nach dem Entleeren der Reaktionskammer 62 keine Flüssigkeit in Toträumen oder Ecken im Übergang von dem Extraktor 32 zum Chip 12 zurückbleibt.
In der Reaktionskammer 62 befindet sich ferner ein exzentrisch zu der Durchgangsbohrung angeordnetes Kapillarröhrchen 68. Das Kapillarröhrchen 68 durchstößt auf seiner Unterseite den mikrofluidischen Chip 12. Es ist nach oben und unten offen, so dass es eine Entlüftungsöffnung bereitstellt, die das Volumen der Reaktionskammer 62 mit der Umgebung verbindet. Wahlweise kann an dem einen und/oder anderen Ende des Röhrchens 68 ein Filter vorgesehen sein, welcher ein Austreten von Keimen in die Umgebung oder umgekehrt ein Eindringen von Verunreinigungen in das Extrakt verhindert.
Auf der oberen Stirnfläche des Reaktorzylinders 58 liegt die Filterauflage 54 auf. Diese trägt bzw. unterstützt das oder die Filterelemente 50. Die Filterfassung 52 ist hülsenförmig ausgebildet und weist auf ihrer Unterseite ein Innengewinde auf, welches mit einem korrespondierenden Außengewinde des Reaktorzylinders 58 verschraubt ist. Hierdurch drückt die Filterfassung 52 mit einem ringförmigen einwärts gerichteten Rand die Filterelemente 50 gegen die Filterauflage 54 an, welchen wiederum gegen den Reaktorzylinder 58 abgestützt ist. Hierdurch bildet sich ein fluiddichter Kontakt zwischen dem ringförmigen Rand der Filterfassung 52 und dem Filterelement, wodurch sichergestellt wird, dass das Extrakt beim Niederdrücken des Extraktorzylinders nur durch das Filterelement in die Reaktionskammer 62 gelangen kann, so dass keine unerwünschten Feststoffe an dem Filterelement vorbei dorthinein gelangen können.
Die Filterauflage 54 weist auf ihrer Unterseite mittig eine Abtropfnase 70 auf, an welcher sich das durch das oder die Filterelemente 50 gedrückte Extrakt zunächst sammelt, bevor es in die Reaktionskammer 52 tropft. Hierdurch wird verhindert, dass das Extrakt auf undefiniertem Weg in die Extraktionskammer 62 gelangt. Insbesondere wird vermieden, dass das Extrakt die Entlüftungsöffnung des Kapillarröhrchens 68 verschließt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind insgesamt drei Filterelemente 50 montiert. Diese sind im Einzelnen zuoberst und zuunterst jeweils ein Edelstahlfilter mit einer Porengröße von 200 μm und dazwischenliegend ein Filter aus Polyamid mit einer Porengröße von 20 μm. Die Abstufung der Porengröße der Filter von dem größeren zum kleineren Querschnitt führt dazu, dass im ersten Filter nur die größten Partikel zurückgehalten werden und ausreichend große Durchlassöffnungen für kleinere Partikel bilden, die dann in der nächsten Filterstufe aufgefangen werden. Eine Fouling wird hierdurch weitgehend verhindert. Das dritte Filterelement mit der wieder größeren Porengröße dient zur Stützung des mittleren, feineren Filterelements. Es kann alternativ oder ergänzend ein Filterzusatz in Form von Partikeln eingesetzt werden, der ähnlich dem ersten groben Filter eine für feine Partikel durchlässige Matrix bildet und ein Fouling verhindert.
Das gezeigte System ermöglicht die Filtration von Proben bei hohen Drücken von bis zu 10 bar. Hierbei lassen sich sehr gute Filtrationsergebnisse erzielen, ohne dass das Filterelement verstopft. Andererseits stellt die Entlüftung sicher, dass in dem Kanalsystem des mikrofluidischen Chips 12 die Fluidkontrolle trotz des hohen Druckes nicht verloren geht.
In einem unteren axialen Abschnitt weist das Reaktorrohr 58 eine umfänglich angeordnete Heizmanschette 72 auf. Diese kann bei Bedarf zur Umsetzung des Extrakts beispielsweise bei einer chemischen und/oder thermischen Lyse oder zur Beschleunigung durch Erwärmen des Extrakts eingesetzt werden.
Anstelle der gezeigten Ausführungsform mit Flansch können Chip und Reaktor auch einstückig ausgebildet sein. Anstelle der Verschraubung des Flansches kann die Verbindung auch formschlüssig durch eine Art „Schnellverschluss” (Klickverbindung) oder durch Stoffschluss (Schweiß- oder Klebeverbindung) erfolgen.
Anstelle der in den Figuren gezeigten Orientierung kann die Vorrichtung auch für einen Überkopfbetrieb bestimmt und ausgelegt sein. In diesem Fall kann der Extraktor-Zylinder einen festen Boden aufweisen und von der Seite seiner (einzigen) Öffnung her befüllt und anschließend in dieser Orientierung von unten auf den Reaktor-Zylinder aufgesetzt werden. Der Überkopfbetrieb bewirkt unter Umständen bereits eine Sedimentation, das heißt eine Abscheidung der schwersten, größten Partikel auf der Bodenfläche des Extraktor-Zylinders. Auf diese Weise kann je nach Anwendung der Filtervorgang unterstützt werden, beispielsweise durch eine Auftrennung der Probenbestandteile im Falle von Bodenproben.
In den 3A und 3B wird eine Darstellung des erfindungsgemäßen Lab-on-a-Chip-Systems 10 zur Illustration der Funktionsweise insbesondere der Einleitung von Substanzen in die Reaktionskammer gezeigt. Wie in der seitlichen Schnittdarstellung gemäß 3A am besten zu erkennen ist, befindet sich die erfindungsgemäße mikrofluidische Anordnung 14 auf der Oberseite des Chips 12. Von dessen Unterseite ist das Gehäuse der Ventilanordnung 16 angeflanscht. Die Ventilanordnung beinhaltet ein Drehventil, mit einem Ventilkörper, der wenigstens einen relativ zu dem Chip durch Drehung verstellbaren Kanal zum wahlweise Verbinden wenigstens zweier Fluidkanäle in dem Chip aufweist. Insgesamt sind 6 Zu- bzw. Ableitungen 18 und der Kanal 20 mit dem Drehventil 16 verbunden, wie In der Draufsicht gemäß 3B zu erkennen ist Die Zu- bzw. Ableitungen 18a, 18b, 18c und 18d bestehen innerhalb des Chips 12 aus jeweils einem Kanal, der seiner Struktur nach dem Kanal 20 ähnlich ist, und außerhalb des Chips aus einem Anschlussstück, in diesem Fall jeweils ein Schlauchabschnitt. Die beiden übrigen Zu- bzw. Ableitungen 18 haben kein externes Anschlussstück. Wahlweise kann durch Drehen des Ventils (manuell oder automatisch) der Kanal 20 mit dem Ende zumindest einer Zu- bzw. Ableitung 18 verbunden werden.
Das Chipdesign und die Ventilfunktionalität sind hier nur beispielhaft angedeutet. Es liegt im Ermessen des Fachmanns, die Ventilanordnung für die jeweilige Anforderung auszulegen.
Beispielhaft sind an die Zuleitungen 18a und 18b und genauer an den freien Enden deren Schlauchabschnitte jeweils eine Spritze oder Pumpe 74 bzw. 76 angeschlossen. Die Spritze 74 sei in dem gezeigten Beispiel mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Die Spritze 76 kann mit einem geeigneten Reagenz, beim Immunoassay beispielsweise mit einer Antikörper-Bead-Lösung oder beim DNA-Assay mit einem Reagenz zur chemischen und/oder thermischen Lyse und/oder mit Bindungsadditiven gefüllt sein. Zur Durchführung eines Immunoassay wir das Ventil in der Ventilanordnung 16 deshalb zunächst so betätigt, dass eine Verbindung zwischen der Zuleitung 18b und dem Kanal und damit zwischen der Spritze 76 und der Reaktionskammer 62 hergestellt wird. Die in der Spritze 76 befindliche Lösung wird injiziert. Danach wird die Ventilanordnung 16 so eingestellt, dass die gasgefüllte Spritze mit der Reaktionskammer 62 verbunden ist. Jetzt wird die Spritze 74 betätigt, so dass das darin befindliche Gas durch die Zuleitung 18a und den Kanal 20 in die Reaktionskammer 62 geleitet wird. Dabei wird zunächst die restliche Lösung aus dem Kanal 20 in die Reaktionskammer 62 entleert. Anschließend tritt das Gas dort in Form von Blasen 78 aus der Mündung des Kanals 20 aus. Die Blasen 78 steigen in der extrahierten Flüssigkeit in der Reaktionskammer 62 auf und dienen dabei insbesondere zur Durchmischung desselben, in diesem Beispiel also des Filtrats mit der Antikörper-Bead-Lösung.
Ist die Lyse bzw. das Labelling in der Reaktionskammer 62 abgeschlossen, wird die Ventilanordnung so verstellt, dass das Ende des Kanals 20 mit dem Anfang einer anderen Ableitung 18, 18c, 18d verbunden wird. Das Gemisch in der Reaktionskammer 62 kann über den so gebildeten Mikrofluidweg durch den mikrofluidischen Chip 12 beispielsweise einem angeschlossenen oder ebenfalls auf dem Chip angeordneten Aufkonzentrations- und Detektionsmodul (nicht dargestellt) überführt werden.
Die zuvor beschriebene Entlüftung der Reaktionskammer 62 stellt bei dem gesamten Prozess stets einen kontrollierten Fluidtransport mit sehr geringen Druckdifferenzen sicher. Ein Versuch hat gezeigt, dass durch die Entlüftungskapillare es möglich ist, den Flüssigkeitstransport aus der Reaktionskammer in den Chip so robust zu gestalten, dass keine weitere Prozesskontrolle, wie z. B. Sensoren zur Detektion des Flüssigkeitsstandes in den Fluidkanälen am Ausgang des Extraktors notwendig sind.
Zur Erläuterung der Patentansprüche sei angemerkt, dass die Begriffe Zuleitung, Ableitung, Reaktor, Extraktor, Ventilanordnung oder Filteranordnung in erster Linie funktional zu verstehen sind. Strukturell können der den Reaktor bildende Gehäuseabschnitt und die Filteranordnung zugleich ein Teil des Extraktors, nämlich des Kolbens sein, wie das Ausführungsbeispiel zeigt. Die Zu- und Ableitungen unterscheiden sich strukturell zumindest innerhalb des Chips nicht von dem Kanal. Funktional bilden sie aber eine Verbindung zwischen dem Ventil und einer Peripherie, während der Kanal den Verbindungsabschnitt zwischen dem Ventil und der Reaktionskammer beschreibt.

10: Lab-on-a-Chip-System
12: mikrofluidischer Chip
14: mikrofluidische Anordnungen
16: Ventilanordnung
18, 18a, 18b, 18c, 18d: Zu- und/oder Ableitungen
20: Kanal
22: Ablauftrichter
24: Oberseite
30: Extraktor
32: Reaktor
34: Filteranordnung
36: Zylinder
38: Zylindermantel
40: Zylinderdeckel
42: Schrauben
44: Dichtung
46: Extraktionskammer
48: Rührelement
50: Filterelement
52: Filterfassung
54: Filterauflage
56: Ringnut
58: Hohlzylinder
60: Flansch
62: Reaktionskammer
64: Ringnut
66: Schraubverbindung
68: Kapillarröhrchen
70: Abtropfnase
72: Heizmanschette
74: Spritze
76: Spritze
78: Blasen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006003532 A1 [0004]
- DE 102008002674 [0037]
- DE 102008002675 [0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Sample Preparation for the Analysis of Gluten from Fondstuff in a Modular Chip-Plafform” anlässlich der 10th International Conference an Miniaturized Chemistry and Life Science, vom 5. bis 9. November 2006 in Tokyo, Japan [0004]

Claims

Mikrofluidische Anordnung (14) zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines Extraktes aus einer Probe und zum Überführen desselben in fließfähiger Form in einen mikrofluidischen Chip (12) mit – einem Extraktor (30), der eine komprimierbare Extraktionskammer (46) und mindestens eine Öffnung derselben aufweist, – einem Reaktor (32), der eine Reaktionskammer (62), eine mit der mindestens einen Öffnung des Extraktors kommunizierende Eintrittsöffnung, wobei die beiden Öffnungen ein Fließweg zwischen den Kammern definieren, eine Austrittsöffnung zur fluidischen Verbindung mit dem mikrofluidischen Chip (12) und eine Entlüftungsöffnung der Reaktionskammer (62) aufweist, und – einer in den Fließweg zwischen dem Extraktor und dem Reaktor (32) geschalteten Filteranordnung (34).
Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung (34) wenigstens ein Filterelement (50) und eine mit dem Reaktor (32) verbundene und das Filterelement (50) gegen die Eintrittsöffnung des Reaktors (32) andrückende Filterfassung (52) aufweist.
Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktor (30) eine Zylinder-Kolbenanordnung aufweist, die die komprimierbare Extraktionskammer (46) einschließt.
Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder des Extraktors (30) relativ zu der Filteranordnung (34) und dem Reaktor (32) verschiebbar ist und dass die Filteranordnung (34) und/oder der Reaktor (32) zumindest teilweise dem Kolben zugeordnet sind oder diesen bilden.
Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Außenwand der Filterfassung (52) und einer Innenwand des Zylinders (36) ein Dichtelement angeordnet ist.
Mikrofluidische Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktor (30) ein in der Extraktionskammer (46) eingeschlossenes Rührelement (48) aufweist.
Mikrofluidische Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) in Form eines Hohlzylinders (58) ausgebildet ist.
Mikrofluidische Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) einen Flansch (60) zum Befestigen auf einem mikrofluidischen Chip (12) aufweist.
Lab-On-A-Chip-System (10) mit einer mikrofluidischen Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem mit dem Reaktor (32) fest verbundenen mikrofluidischen Chip (12).
Lab-On-A-Chip-System (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kanal (20) in dem mikrofluidischen Chip (12) mit der Austrittsöffnung des Reaktors (32) kommuniziert.
Lab-On-A-Chip-System (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Chip (12) eine Ventilanordnung (16) zum wahlweise Verbinden oder Trennen des mit der Austrittsöffnung des Reaktors (32) kommunizierenden Kanals (20) mit bzw. von wenigstens einer Zu- und/oder Ableitung (18; 18a; 18b; 18c; 18d) aufweist.
Lab-On-A-Chip-System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung durch ein Kapillarröhrchen (68) in der Reaktionskammer (62) bereitgestellt wird
Lab-On-A-Chip-System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine den Reaktor (32) zumindest Abschnittsweise umgebende Heizeinrichtung (72).
Lab-On-A-Chip-System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) ein integraler Bestandteil des mikrofluidischen Chips (12) ist.
Lab-On-A-Chip-System (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) an den mikrofluidischen Chip (12) einstückig angeformt ist.