DE102009043226A1

DE102009043226A1 - Flachkörper nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse und Verfahren zu dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102009043226A1
Application number: DE102009043226A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. Gumbrecht; Peter Paulicka; Jörn Dr. Ueberfeld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Boehringer Ingelheim Vetmedica GmbH
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: WO2011036289A1; JP5430766B2; DE102009043226B4; BR112012006831A2; BR112012006831B1; EP2482982A1; BR112012006831A8; EP2482982B1; CN102548659B; US20120184043A1; CN102548659A; JP2013506123A; US9415390B2

Abstract

Ein Flachkörper (1) nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse von Substanzen weist wenigstens zwei mikrofluidische Einrichtungen (3, 4) und wenigstens einen Sensor-Chip (2) auf. Der wenigstens eine Sensor-Chip (2) steht in direktem Kontakt mit wenigstens einer ersten mikrofluidischen Einrichtung (3). Eine zweite mikrofluidische Einrichtung (4) nach Art einer Pipette ist integral vom Flachkörper (1) umfasst bzw. mit diesem verbunden. Ein Verfahren zur Verwendung des Flachkörpers (1) beinhaltet das Andocken einer E-Cup (5) über eine Klemmeinrichtung (6a, 6b) des Flachkörpers (1) an den Flachkörper (1) und den Austausch von Flüssigkeit zwischen E-Cup (5) und Flachkörper (1) über die zweite mikrofluidische Einrichtung (4).

Description

Die vorliegende Erfindung umfasst einen Flachkörper nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse von Substanzen sowie ein Verfahren zu dessen Verwendung. Der Flachkörper weist wenigstens zwei mikrofluidische Einrichtungen und wenigstens einen Sensor-Chip auf. Der wenigstens eine Sensor-Chip ist in dem Flachkörper integriert und steht in direktem Kontakt mit wenigstens einer ersten mikrofluidischen Einrichtung.
In der Biosensorik werden Lab-on-a Chip Systeme eingesetzt, um einfach und kostensparend biochemische Analysen durchführen zu können. So ist z. B. aus der DE 10 2005 049 976 A1 ein Flachkörper zur biochemischen Analyse von Substanzen wie z. B. DNA und Proteinen bekannt. Dieser Flachkörper weist die Form einer Chip-Karte auf, welche analog einer Kreditkarte ausgebildet ist. Der Flachkörper umfasst einen Halbleiter-Chip mit einem Sensor-Array und integrierten Schaltungen, wobei der Halbleiter-Chip in einem flachen Plastikmaterial vergossen ist und elektrisch mit elektrischen Kontakten zum Auslesen des Chips durch eine externe Ausleseeinheit verbunden ist. Auf einer Vorderseite des Flachkörpers sind als Vertiefungen in dem Plastikmaterial mikrofluidische Einrichtung wie z. B. Reaktionskammern und Kanäle ausgebildet. Die Vorderseite ist mit einer Folie beklebt und die mikrofluidischen Einrichtungen sind so gegenüber der Umwelt fluiddicht, d. h. dicht gegenüber Flüssigkeiten und/oder Gasen abgedichtet.
Bei einer biochemischen Analyse einer Flüssigkeit, wie sie z. B. durch Blut oder Urin gegeben ist, wird über eine spitze Nadel analog einer Spritzenspitze die Folie der Chip-Karte durchstochen, und die Flüssigkeit wird in eine mikrofluidische Einrichtung der Chip-Karte injiziert. Über Kanäle und Reaktionskammern gelangt die Flüssigkeit in Kontakt mit Sensoren des Sensor-Arrays auf dem Chip und Bestandteile der Flüssigkeit können direkt oder indirekt nachgewiesen werden. Ein Nachweis kann optisch oder elektrochemisch erfolgen. Substanzen, welche für chemische Reaktionen zum Nachweis der Bestandteile der Flüssigkeit notwendig sind, können sich schon auf bzw. in der Chip-Karte befinden oder können ebenfalls in diese über eine spitze Nadel injiziert werden.
Die Aufnahmekapazität von mikrofluidischen Einrichtungen auf einer Chip-Karte zur Aufnahme von Flüssigkeit ist in der Regel nur sehr gering und ist häufig auf nur wenige Milliliter, oder auf Mikroliter oder im Extremfall nur auf Nanoliter beschränkt. Bei biochemischen Substanzen, welche in der zu untersuchenden Flüssigkeit nur in sehr geringer Konzentration vorkommen, kann dies dazu führen, dass die Gesamtmenge an Flüssigkeit, mit welcher die Chip-Karte befüllt werden kann, nicht ausreicht um die Nachweisgrenze der biochemischen Substanz zu erreichen bzw. zu überschreiten. Ein Nachweis der biochemischen Substanz ist dann nur bei chemischer Vervielfältigung der biochemischen Substanz, z. B. im Fall von DNA durch PCR, möglich. Im Falle des Nachweises ganzer Zellen kann eine zeit- und kostenintensive Vervielfältigung, z. B. in einem Brutschrank notwendig werden. Bei z. B. chemischen Spurenelementen in Urin oder Wasser kann eine chemische Vervielfältigung ausgeschlossen sein und somit ein Nachweis schwer oder gar nicht möglich werden.
Ein weiteres Problem der Zuführung von Flüssigkeit zur bzw. in die Chip-Karte über spitze Nadeln kann in der Einschleppung von Verunreinigungen liegen. Gerade in Hinblick auf einen Nachweis von Spurenelementen, DNA oder Peptiden können geringste chemische oder biochemische Verunreinigungen zu Fehlern beim quantitativen und/oder qualitativen Nachweis führen. Mit jeder zusätzlichen Vorrichtung, wie sie z. B. eine Nadel darstellt, mit welcher die zu untersuchende Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, steigt die Wahrscheinlichkeit der Verunreinigung. Ein erhöhter Aufwand, welcher kosten- und zeitintensiv ist, muss zur Gewährleistung der Nachweisqualität erbracht werden, z. B. durch gründliche Reinigung aller Vorrichtungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Flachkörper nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse und insbesondere ein Verfahren zu dessen Verwendung anzugeben, bei welchem es auf einfache und kostengünstige Weise möglich wird Fluide wie z. B. Flüssigkeiten, direkt aus einem Gefäß in mikrofluidische Einrichtungen des Flachkörpers einzubringen. Insbesondere ist es Aufgabe Fluide in die mikrofluidischen Einrichtungen des Flachkörpers einzubringen, wobei die Fluide mit so wenig wie möglich autarken Einzelteilen in Kontakt gebracht werden bzw. diese durchströmen. Weiterhin ist es Aufgabe einen Flachkörper anzugeben, welchem große Mengen an Fluid direkt aus bzw. in ein Gefäß, wie es z. B. ein E-Cup darstellt, zu und/oder abgeführt werden kann.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Flachkörpers nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse von Substanzen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens zur Verwendung des Flachkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Flachkörpers nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse von Substanzen und des Verfahrens zur Verwendung des Flachkörpers gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale des Hauptanspruchs mit Merkmalen der Unteransprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden.
Der erfindungsgemäße Flachkörper nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse von Substanzen umfasst wenigstens zwei mikrofluidische Einrichtungen und wenigstens einen Sensor-Chip. Der wenigstens eine Sensor-Chip ist in dem Flachkörper integriert und steht in direktem Kontakt mit wenigstens einer ersten mikrofluidischen Einrichtung. Der Flachkörper umfasst integral eine zweite mikrofluidische Einrichtung nach Art einer Pipette. Dabei bedeutet Integral, dass die zweite mikrofluidische Einrichtung und der restliche Flachkörper aus wenigstens einem Material gemeinsam hergestellt sind und einen zusammenhängenden Körper bilden, ohne das die zweite mikrofluidische Einrichtung an den Flachkörper gesteckt, geklemmt oder sonstig wiederholt trenn- und befestigbar angebracht ist.
Der Vorteil eines Flachkörpers mit integrierter Pipette liegt in der Möglichkeit große Flüssigkeitsmengen zwischen einem Gefäß, wie es z. B. ein E-Cup darstellt, und dem Flachkörper einfach und schnell auszutauschen. Da der Flachkörper und die darin integrierte Pipette aus einem Material zusammen hergestellt werden können, weisen beide gleiche chemische und biochemische Reinheitsgrade auf. Ein Einschleppen von Verunreinigungen durch zusätzliche Teile in den Flachkörper wird so verhindert. Die mögliche Herstellung in einem Schritt verringert Kosten und Aufwand und führt zu einer höheren Stabilität als bei Aufstecklösungen von z. B. Spritzen-Kanülen-Nadeln aus Metall.
Der Flachkörper kann eine erste Klemmeinrichtung umfassen, welche ausgebildet ist eine E-Cup direkt mechanisch an dem Flachkörper zu befestigen. E-Cups werden als Reaktionsgefäße benutzt und sind z. B. von Eppendorf^® erhältlich und dann unter der Kurzform „Eppi” bekannt. Die Gefäße weisen standardmäßig verschiedene Größen auf und können entsprechend verschiedene Volumina Lösung, z. B. von 0,2 ml bis 2 ml aufnehmen. Sie zeichnen sich durch eine gute Chemikalienresistenz aus und sind bis über 100°C Formstabil. Die Klemmeinrichtung würde einen Durchmesser im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser einer zu befestigenden E-Cup an ihrer Öffnung aufweisen. Eine mechanische Befestigung der E-Cup direkt an dem Flachkörper durch das Klemmen stellt eine besonders einfache und stabile Möglichkeit dar, die E-Cup an dem Flachkörper zu befestigen.
Der Flachkörper kann eine zweite Klemmeinrichtung umfassen, welche ausgebildet ist einen Deckel einer E-Cup direkt mechanisch an dem Flachkörper zu befestigen. Dies erhöht die Stabilität der Befestigung einer E-Cup an dem Flachkörper und führt zu einer Verbesserung des Handlings, da der Deckel nicht beweglich relativ zum Flachkörper beim Befüllen oder der Entnahme von Flüssigkeit aus der E-Cup stört.
Die zweite mikrofluidische Einrichtung kann länglich ausgebildet sein und an einem Ende eine Spitze mit einer fluidischen Öffnung umfassen. Sie kann so ausgebildet sein, dass bei Befestigung einer E-Cup an der ersten und/oder zweiten Klemmeinrichtung die Spitze der zweiten mikrofluidische Einrichtung mit der fluidischen Öffnung im Bereich eines unteren Endes der E-Cup angeordnet ist. Dadurch wird eine nahezu vollständige Entnahme von Flüssigkeit aus der E-Cup mit Hilfe der zweiten mikrofluidischen Einrichtung ermöglicht.
Der Flachkörper kann aus einem Plastik-Material bestehen, insbesondere einer Spritzgussplastik. Spritzgussplastik ist leicht zu verarbeiten und ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Flachkörpers. Die mikrofluidischen Einrichtungen können auf einer Vorderseite des Flachkörpers ausgebildet sein und mit einer Folie, insbesondere einer selbstklebenden Folie aus Plastik-Material, abgedeckt sein. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung des Flachkörpers mit mikrofluidischen Einrichtungen.
Die wenigstens zwei mikrofluidischen Einrichtungen können Kanäle und/oder Kammern, welche als Vertiefungen in einer flachen Ebene der Vorderseite des Flachkörpers ausgebildet sind, umfassen. Weiterhin können die wenigstens zwei mikrofluidischen Einrichtungen Ventile umfassen, ausgebildet in dem Flachkörper. Die wenigstens zwei mikrofluidischen Einrichtungen können auch eine Ausnehmung umfassen, welche als Vertiefung in einer flachen Ebene der Rückseite des Flachkörpers ausgebildet ist und in welcher der Sensor-Chip eingebettet ist, insbesondere mit elektrischen Kontakten des Sensor-Chips in einer Ebene mit der flachen Ebene der Rückseite des Flachkörpers sowie mit einem Sensor-Array des Sensor-Chips in direktem Kontakt zu wenigstens einer Kammer auf der Vorderseite des Flachkörpers. Die wenigstens zwei mikrofluidischen Einrichtungen sind dadurch geeignet ein gutes Handling von Flüssigkeiten zu ermöglichen und Flüssigkeiten aus einer E-Cup zu Sensoren auf dem Chip zu transportieren. Auf dem Weg aus der E-Cup zu den Sensoren können chemische Reaktionen von Flüssigkeiten bzw. Substanzen in den Flüssigkeiten z. B. in Kammern mit Festphasenreagenzien erfolgen.
Der Flachkörper kann eine Dicke im Bereich von einem Millimeter, eine Länge im Bereich von 85 Millimeter und eine Breite im Bereich von 54 Millimeter aufweisen. Wenigstens eine mikrofluidische Einrichtung kann ausgebildet sein Trockenreagenzien zu beinhalten, insbesondere in Kanälen und/oder Reaktionsräumen mit einem Querschnitt im Bereich von einem oder mehreren Quadrat-Millimetern. Die zweite mikrofluidische Einrichtung kann eine Länge im Bereich von 45 Millimetern aufweisen.
Die zweite mikrofluidische Einrichtung kann über die erste mikrofluidische Einrichtung in fluidischen Kontakt mit Sensoren des Sensor-Chips stehen.
Ein Querschnitt durch die zweite mikrofluidische Einrichtung, senkrecht zur Vorderseite des Flachkörpers, kann einen im Wesentlichen rechteckigen Außenumfang mit einer offenen Ausnehmung zur Vorderseite des Flachkörpers hin aufweisen. Dadurch wird eine erhöhte Stabilität bei einfacher Herstellung erreicht, da die zweite mikrofluidische Einrichtung die Flache Form des Flachkörpers aufweist.
Der Sensor-Chip kann ein Array aus elektrochemischen Sensoren umfassen. Dadurch werden mit dem Flachkörper elektrochemische Messungen möglich, welche einfacher, kostengünstiger und besser auf kleinsten Raum durchzuführen sind als optische Messungen. Der Sensor-Chip kann weiterhin eine integrierte Schaltung zum verarbeiten elektrischer Signale der Sensoren umfassen. Der Sensor-Chip kann auch elektrische Kontakte zum elektrischen Auslesen des Sensor-Chips umfassen, insbesondere zum elektrischen Auslesen des Sensor-Chips mit Hilfe einer externen Datenverarbeitungseinheit.
Der Flachkörper kann wenigstens eine Öffnung auf seiner Vorder- und/oder Rückseite aufweisen, welche in fluidischem Kontakt mit der wenigstens einen ersten mikrofluidischen Einrichtung steht, und/oder welche ausgebildet ist eine äußere Pumpe anzuschließen. Über diese Öffnung bzw. Öffnungen können zusätzlich kleine Mengen an zum Nachweis verwendeten Substanzen, insbesondere in flüssiger Form dem Flachkörper zugeführt werden. So sind z. B. Labeling-Stoffe in frischer Form vor einer eigentlichen elektrochemischen Messung der Flüssigkeit aus einer E-Cup in den mikrofluidischen Einrichtungen des Flachkörpers zuführbar und können mit Substanzen der Flüssigkeit reagieren. Auch ein Unterdruck in den mikrofluidischen Einrichtungen kann über die wenigstens eine Öffnung z. B. mit Hilfe einer Pumpe erzeugt werden und dazu dienen, Flüssigkeit aus einer E-Cup anzusaugen in den Flachkörper bzw. dessen mikrofluidischen Einrichtungen hinein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung des zuvor beschriebenen Flachkörpers umfasst die Schritte:

– eine E-Cup wird mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit befällt, und
– die zweite mikrofluidische Einrichtung wird derart in die E-Cup eingeführt, dass sie in direktem Kontakt zu der zu untersuchenden Flüssigkeit steht, und
– die Flüssigkeit wird durch die zweite mikrofluidische Einrichtung in die erste mikrofluidische Einrichtung transportiert, insbesondere direkt und insbesondere durch einen Unterdruck und/oder Kapillarkräfte, und
– die zu untersuchende Flüssigkeit wird über den Sensor-Chip gleitet, und
– wenigstens ein Sensor des Sensor-Chips interagiert mit wenigstens einer chemischen und/oder biochemischen Substanz der zu untersuchenden Flüssigkeit und/oder mit einem Reaktionsprodukt einer Substanz der zu untersuchenden Flüssigkeit.

Dabei kann die zweite mikrofluidische Einrichtung in einem ersten Schritt Flüssigkeit aus der E-Cup aufnehmen und in einem zweiten Schritt Flüssigkeit in die E-Cup abgeben, wobei insbesondere der erste und der zweite Schritt intervallartig wiederholt werden. Dadurch ist eine Art spülen der mikrofluidischen Einrichtungen mit Flüssigkeit aus der E-Cup möglich. Weiterhin ist es möglich Reaktionen, welche eine große Lösungsmenge mit großem Volumen benötigen, nicht in den mikrofluidischen Einrichtungen durchzuführen, sondern in einer angedockten E-Cup. Eine Kombination von Reaktionen in der E-Cup und den mikrofluidischen Einrichtungen in unterschiedlicher Reihenfolge ist so ebenfalls möglich.
Als zu untersuchende Flüssigkeit kann z. B. Blut, Urin, Frisch- oder Abwasser verwendet werden. Der erfindungsgemäße Flachkörper und das Verfahren zu dessen Verwendung eignen sich besonders gut, sind darauf aber nicht beschränkt, bei geringen Konzentrationen an nachzuweisender Substanz und großen Lösungsvolumina der zum Nachweis benötigten Flüssigkeit eingesetzt zu werden. Wenn die Konzentration der nachzuweisenden Substanz so gering ist, dass ein Volumen der zum Nachweis nötigen Flüssigkeit die Kapazität der im bzw. am Flachkörper ausgebildeten mikrofluidischen Einrichtungen übersteigt, können Reaktionen in einem angedockten E-Cup durchgeführt werden und die fertig reagierten Flüssigkeiten über die zweite mikrofluidische Einrichtung den Sensoren des Sensor-Chips im Flachkörper zugeführt werden. Die Sensoren des Sensor-Chips können z. B. DNA, RNA, Peptide oder Antikörper nachweisen. Am Nachweis und an der Vorbereitung, z. B. durch Lyse von Zellen, beteiligte Substanzen können z. B. in Kammern oder Kanälen des Flachkörpers, insbesondere als Trockenreagenzien gelagert werden. Zur chemischen Reaktion kann Flüssigkeit aus einer E-Cup in die mikrofluidischen Einrichtungen gesogen werden und mit den gelagerten Substanzen gemischt werden, z. B. zum lösen von Trockenreagenzien, und anschließend an die E-Cup wieder abgegeben werden. In der E-Cup kann dann ein größeres Flüssigkeitsvolumen als in den mikrofluidischen Einrichtungen reagieren. Anschließend kann ein Teil der Flüssigkeit in der E-Cup über die erste in die zweite mikrofluidische Einrichtung gezogen werden, z. B. durch einen angelegten Unterdruck an Öffnungen der ersten mikrofluidischen Einrichtung, und an den Sensoren ein Nachweis von Reaktionsprodukten oder direkt von in der Flüssigkeit enthaltenen Substanzen erfolgen.
Die mit dem Verfahren zur Verwendung eines Flachkörpers verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf den Flachkörper beschrieben wurden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es wird in den Figuren dargestellt:
1 eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine Vorderseite des Flachkörpers mit ersten und einer zweiten mikrofluidischen Einrichtung nach Art einer Pipette und mit einer Klemmeinrichtung für eine E-Cup, und
2 eine schematische Darstellung einer Aufsicht analog der in 1 gezeigten mit einer Klemmeinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, mit Klemmung einer E-Cup und Klemmung eines Deckels der E-Cup.
In der 1 ist eine Aufsicht auf eine Vorderseite 7 des Flachkörpers 1 ohne Abdeckung sowie ein Schnitt durch eine E-Cup 5 dargestellt. Der Flachkörper 1 ist in Form einer Chip-Karte bzw. in Form einer Kreditkarte ausgebildet. Werte für die Größenverhältnisse einer solchen Chip-Karte sind z. B. Höhe H × Breite B × Dicke D gleich 5,5 cm × 8,5 cm × 0,1 cm. Auf der Vorderseite 7 sind mikrofluidische Einrichtungen 4, 7 als Vertiefungen im Flachkörper 1 ausgebildet. Der Flachkörper 1 besteht z. B. aus einem Plastik-Material, insbesondere einer Spritzgussplastik. Mikrofluidische Einrichtungen 4 sind z. B. Kanäle 9 und Kammern 10, welche eine Breite im Bereich von 1 mm bis 5 mm und eine Tiefe von etwa 100 μm aufweisen können. Kammern können beispielsweise eine Länge von 1 mm bis 10 mm und Kanäle eine Länge im Bereich von 1 cm bis hin zu 100 cm aufweisen. In den mikrofluidischen Einrichtungen 4 können Reagenzien z. B. in getrockneter Form gelagert sein.
In einer Ausnehmung auf der Rückseite 8 des Flachkörpers 1, welche eine Größe von Höhe H' × Breite B' × Tiefe T' im Bereich von 1,4 cm × 1,3 cm × 800 μm aufweisen kann, ist ein Sensor-Chip 2 befestigt, z. B. durch Kleben. Der Sensor-Chip 2 mit einem Sensor-Array auf einer Seite und elektrischen Kontakten zum auslesen des Sensor-Chips 2 auf der anderen Seite des Sensor-Chips 2 ist derart in der Ausnehmung angeordnet, dass die Seite des Sensor-Chips 2 mit dem Sensor-Array den Boden einer mikrofluidischen Kammer 10' bildet, welche als Reaktions- und/oder Nachweis-Kammer dient. Die Seite des Sensor-Chips 2 mit den elektrischen Kontakten bildet mit der Rückseite 8 des Flachkörpers 1 eine Ebene. Sensoren des Sensor-Arrays können optisch oder elektrochemisch Substanzen oder Reaktionsprodukte in einer Flüssigkeit, welche sich in der mikrofluidischen Kammer 10' befindet, nachweisen. Elektrische Signale der Sensoren können über die elektrischen Kontakte des Sensor-Chips 2 an externe Mess- und Datenverarbeitungs-Einrichtungen abgegeben werden oder durch integrierte Schaltungen auf dem Sensor-Chip 2 verarbeitet werden und direkt angezeigt oder über die elektrischen Kontakte übertragen werden.
Über Zu- und Ablauföffnungen 12 und mikrofluidische Kanäle 9 können Flüssigkeiten, welche zur Probenvorbereitung, zum Aufschluss von z. B. Zellen und/oder für Nachweisrektionen verwendet werden, den mikrofluidischen Einrichtungen 3, 9, 10, 10' zugeführt werden. Eine Steuerung der Zufuhr kann über Ventile 11 erfolgen, welche im Flachkörper 1 ausgebildet sind. Es können auch Fluide wie Luft über die Zu- und Ablauföffnungen 12 dem Flachkörper zugeführt oder entnommen werden, wobei ein Über- bzw. Unterdruck in den mikrofluidischen Einrichtungen 3, 9, 10, 10' erzeugt wird.
Erfindungsgemäß umfasst der Flachkörper 1 eine zweite mikrofluidische Einrichtung 4, welche die Form und Funktion einer abgeflachten Pipette aufweist. Die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 ist in einem Stück mit dem Flachkörper zusammen aus z. B. Plastik hergestellt. Die Länge L kann im Bereich von 2,5 cm liegen, abhängig von der Größe einer zu verwendenden E-Cup 5. Die Länge sollte nahezu der Tiefe der E-Cup 5, d. h. dem Abstand von der Öffnung 15 bis zum Boden 14 der E-Cup 5 betragen. Dadurch wird eine fast vollständige Entnahme von Flüssigkeit aus einer E-Cup 5 mit Hilfe der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 ermöglicht. Die Dicke der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 ist gleich der Dicke des Flachkörpers, z. B. 1 mm. Mittig in der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 auf der Vorderseite 7 des Flachkörpers 1 ist ein Kanal 9' als Vertiefung ausgebildet, welcher in etwa der Größe von Kanälen 9 der ersten mikrofluidischen Einrichtung 3 im restlichen Flachkörper 1 entspricht. So liegt seine Breite im Bereich von 1 mm und seine Tiefe im Bereich von 100 μm. Der Kanal 9' ist über Kanäle 9 und/oder Kammern 10 mit Sensoren des Sensor-Chips 2 fluidisch verbunden. Die Breite der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 beträgt z. B. 2 mm.
Über eine Klemmeinrichtung 6a des Flachkörpers 1 kann eine E-Cup 5 an dem Flachkörper 1 durch Klemmen befestigt werden. In 1 ist ein Schnitt durch eine E-Cup 5 dargestellt. Als E-Cup 5 können Reaktionsgefäße in Form von „Eppis” verwendet werden, welche z. B. ein Volumen an Flüssigkeit im Bereich von 1 ml bis 100 ml aufnehmen. Als Flüssigkeit kann in der E-Cup 5 eine zu untersuchende Flüssigkeit wie z. B. Blut, Urin, Brauchwasser oder Trinkwasser enthalten sein. Diese Flüssigkeit kann in der E-Cup 5 für eine Untersuchung vorbereitet werden. So können z. B. Zellen aufgeschlossen, DNA vervielfältigt, Marker gekoppelt und/oder über Beads ein herausfischen bzw. aufkonzentrieren bestimmter Moleküle in der E-Cup 5 erfolgen. Alternativ kann die zu untersuchende Flüssigkeit unbehandelt über die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 in den Flachkörper 1 eingebracht werden. Als Flüssigkeit können in der E-Cup 5 statt der zu untersuchenden Flüssigkeit an einer Untersuchung beteiligte Substanzen enthalten sein.
Die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 ist fluidisch mit der ersten mikrofluidischen Einrichtung 3 verbunden und wird in eine E-Cup 5 derart eingeführt, dass über Kapillarkräfte oder einen Unterdruck in der ersten mikrofluidischen Einrichtung 3 Flüssigkeit aus der E-Cup 5 über die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 in die erste mikrofluidische Einrichtung 3 und zum Sensor-Array des Sensor-Chips 2 gelangt. Über einen Überdruck in der ersten mikrofluidischen Einrichtung 3 kann Flüssigkeit aus der ersten mikrofluidischen Einrichtung 3 über die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 in die E-Cup 5 eingebracht werden. So können z. B. chemische Reaktionen, welche viel Lösungsvolumen benötigen und aus diesem Grund nicht in einer mikrofluidischen Einrichtung 3 durchgeführt werden können, in der E-Cup „ausgelagert” stattfinden. Anschließend kann das Reaktionsprodukt im Flachkörper 1 weiterverarbeitet oder direkt über die Sensoren nachgewiesen werden.
Zur einfachen Handhabung einer E-Cup 5 in Verbindung mit dem Flachkörper 1 ist die Klemmvorrichtung 6a als eine Verbreiterung der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 ausgebildet. Dies macht eine einfache und kostengünstige Herstellung der Klemmeinrichtung 6a in einem Schritt zusammen mit dem Flachkörper 1 inklusive der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 als ein integraler Körper aus Spritzgussplastik möglich. Die mikrofluidischen Einrichtungen 3, 4 werden mit Hilfe einer Folie abgedichtet. So kann z. B. eine selbstklebende und/oder geklebte Folie die Vorderseite 7 des Flachkörpers 1 inklusive der ersten und zweiten mikrofluidischen Einrichtungen 3, 4 vollständig bedecken. Alternativ kann partiell oder vollständig auf dem Flachkörper 1 eine thermisch angeschweißte Folie aufgebracht werden. Die Öffnungen 12 können bei Bedarf durch Nadeln durchstochen werden. Eine Öffnung an der Spitze 13 der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 kann ebenfalls bei Bedarf durch Aufreißen, Aufschneiden oder Anstechen hergestellt werden, oder alternativ kann bei Aufbringen einer Folie auf den Flachkörper 1 die Öffnung an der Spitze 13 ausgebildet werden.
Die Klemmvorrichtung 6a weist im Wesentlichen eine Breite entsprechend dem Innendurchmesser der Öffnung 15 der E-Cup auf oder ist geringfügig, um z. B. etwa 1 mm, größer. Die Einfachste Form der Klemmeinrichtung ist rechteckig, insbesondere mit abgerundeten Ecken. Bei Aufschieben der E-Cup 5 auf die Klemmeinrichtung 6a drücken zwei gegenüberliegende Kanten gegen die Innenwand der E-Cup im Bereich der Öffnung 15. Reibung führt zu einem mechanischen Klemmen der E-Cup 5 an den Flachkörper 1, speziell an die Klemmeinrichtung 6a des Flachkörpers 1. Ein einfaches Aufschieben der E-Cup 5 auf die Klemmvorrichtung 6a ist auch gegeben, wenn die Klemmeinrichtung 6a den Umriss eines Schnittes durch ein Fass aufweist, mit konvexen Auswölbungen an den zwei gegenüberliegenden Kanten. Der Einfachheit halber ist in 1 nur eine rechteckige Form der Klemmeinrichtung 6a gezeigt. Die Dicke der Klemmeinrichtung ist gleich oder im Wesentlichen gleich der Dicke des restlichen Flachkörpers 1.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Flachkörpers 1 mit einer Klemmeinrichtung 6a und einer Klemmeinrichtung 6b gezeigt. Die Klemmeinrichtung 6a ist analog der zuvor beschriebenen Klemmeinrichtung 6a. Zusätzlich ist im Flachkörper 1 eine Klemmeinrichtung 6b zum Klemmen eines Deckels einer E-Cup 5 ausgebildet. Die Klemmeinrichtung 6b ist aus zwei Aussparungen in einer Kante 17 des Flachkörpers 1 benachbart zu der zweiten mikrofluidischen Einrichtung 4 aufgebaut. Die Aussparungen mit ihren Abmessungen weisen die inverse Form und Dimensionen des unteren Deckelteils auf, welcher bei zugeklappter E-Cup 5 in Richtung E-Cup 5 weist.
Die Klemmeinrichtung 6b führt zu einer verbesserten mechanischen Verbindung einer E-Cup 5 mit dem Flachkörper 1 und einer erhöhten Stabilität einer Anordnung E-Cup 5 und Flachkörper 1. Ein einfaches Handling von Flachkörper 1 in Verbindung mit einer E-Cup 5 wird erlaubt. Über die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 wird ein Flüssigkeitsaustausch zwischen Flachkörper 1 und E-Cup 5 ermöglicht, insbesondere bei Anschluss externer Pumpen über die Zu- und Ablauf-Öffnungen 12 des Flachkörpers 1. Eine E-Cup 5 kann in Verbindung mit dem Flachkörper 1 als Probengefäß zur Zufuhr der zu untersuchenden oder an der Reaktion beteiligter Flüssigkeiten dienen, als externes Reaktionsgefäß dienen oder als Abfallbehälter für zu entsorgende Flüssigkeiten dienen.
Bei Verwendung einer E-Cup 5 mit einem möglichen Flüssigkeitsvolumen von 500 μl ist die Gesamtlänge der E-Cup 5 30 mm und die Länge im Innenraum der E-Cup 5 29 mm. Der äußere Durchmesser der E-Cup 5 beträgt 7,6 mm. Entscheidend für die Dimensionen der Klemmeinrichtung 6a sind jedoch der Außendurchmesser von 10 mm und der Innendurchmesser von 6,5 mm des kreisrunden oberen Randes der E-Cup 5, welcher die Form einer Krempe aufweist. Die Klemmeinrichtung 6a weist somit in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Breite im Bereich von 6,5 mm auf oder geringfügig größer, z. B. 6,6 mm. Dadurch wird bei aufschieben der E-Cup 5 eine mechanisches Befestigung durch Klemmen erreicht. Der Abstand des Übergangs der Klemmeinrichtung 6a zum restlichen Flachkörper 1 im Verhältnis zur Spitze 13 der Klemmeinrichtung 6a beträgt bei einer Länge des Innenraums der E-Cup 5 29 mm oder geringfügig weniger. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Aufschieben der E-Cup bis zum Anschlag an den Übergang der Klemmeinrichtung 6a zum restlichen Flachkörper 1 die Spitze 13 im Bereich des Bodens 14 der E-Cup 5 angeordnet ist. So kann die gesamte Flüssigkeit in einer E-Cup 5 durch die zweite mikrofluidische Einrichtung 4 gehändelt werden. Bei einem nicht vollständigen Aufstecken der E-Cup 5 auf die Klemmeinrichtung 6a kann die Länge des Abstands des Übergangs der Klemmeinrichtung 6a zum restlichen Flachkörper 1 im Verhältnis zur Spitze 13 der Klemmeinrichtung 6a auch länger ausgebildet sein als 29 mm. Im Falle, dass nicht das gesamte Flüssigkeitsvolumen der E-Cup 5 verwendet bzw. gehändelt werden muss, kann die Länge auch kürzer als 29 mm sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005049976 A1 [0002]

Claims

Flachkörper (1) nach Art einer Chip-Karte zur biochemischen Analyse von Substanzen mit wenigstens zwei mikrofluidischen Einrichtungen (3, 4) und mit wenigstens einem Sensor-Chip (2), wobei der wenigstens eine Sensor-Chip (2) in dem Flachkörper (1) integriert ist und in direktem Kontakt mit wenigstens einer ersten mikrofluidischen Einrichtung (3) steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper (1) integral eine zweite mikrofluidische Einrichtung (4) nach Art einer Pipette umfasst.
Flachkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper (1) eine erste Klemmeinrichtung (6a) umfasst, welche ausgebildet ist eine E-Cup (5) direkt mechanisch an dem Flachkörper (1) zu befestigen.
Flachkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper (1) eine zweite Klemmeinrichtung (6b) umfasst, welche ausgebildet ist einen Deckel (16) einer E-Cup (5) direkt mechanisch an dem Flachkörper (1) zu befestigen.
Flachkörper (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) länglich ausgebildet ist und an einem Ende eine Spitze (13) mit einer fluidischen Öffnung umfasst und so ausgebildet ist, dass bei Befestigung einer E-Cup (5) an der ersten und/oder zweiten Klemmeinrichtung (6a, 6b) die Spitze (13) der zweiten mikrofluidische Einrichtung (4) mit der fluidischen Öffnung im Bereich eines unteren Endes der E-Cup (5) angeordnet ist.
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper (1) aus einem Plastik-Material besteht, insbesondere einer Spritzgussplastik, und die mikrofluidischen Einrichtungen (3) auf einer Vorderseite (7) des Flachkörpers (1) ausgebildet sind und mit einer Folie, insbesondere einer selbstklebenden Folie aus Plastik-Material, abgedeckt sind.
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei mikrofluidischen Einrichtungen (3, 4) Kanäle (9, 9') und/oder Kammern (10, 10'), welche als Vertiefungen in einer flachen Ebene der Vorderseite (7) des Flachkörpers (1) ausgebildet sind, umfassen und/oder Ventile (11) umfassen, ausgebildet in dem Flachkörper (1), und/oder eine Ausnehmung umfassen, welche als Vertiefung in einer flachen Ebene der Rückseite (8) des Flachkörpers (1) ausgebildet ist und in welcher der Sensor-Chip (2) eingebettet ist, insbesondere mit elektrischen Kontakten des Sensor-Chips (2) in einer Ebene mit der flachen Ebene der Rückseite (8) des Flachkörpers (1) und/oder mit einem Sensor-Array des Sensor-Chips (2) in direktem Kontakt zu wenigstens einer Kammer (10') auf der Vorderseite (7) des Flachkörpers (1).
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper (1) eine Dicke im Bereich von einem Millimeter, eine Länge im Bereich von 85 Millimeter und eine Breite im Bereich von 54 Millimeter aufweist, und/oder wenigstens eine mikrofluidische Einrichtung (3) ausgebildet ist Trockenreagenzien zu beinhalten, insbesondere in Kanälen (9) und/oder Reaktionsräumen (10, 10') mit einem Querschnitt im Bereich von einem oder mehreren Quadrat-Millimetern, und/oder die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) eine Länge im Bereich von 45 Millimetern aufweist.
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) über die erste mikrofluidische Einrichtung (3) in fluidischen Kontakt mit Sensoren des Sensor-Chips (2) steht.
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt durch die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) senkrecht zur Vorderseite (7) des Flachkörpers (1) einen im Wesentlichen rechteckigen Außenumfang mit einer offenen Ausnehmung zur Vorderseite (7) des Flachkörpers (1) hin aufweist.
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor-Chip (2) ein Array aus elektrochemischen Sensoren umfasst und/oder dass der Sensor-Chip (2) eine integrierte Schaltung zum verarbeiten elektrischer Signale der Sensoren umfasst und/oder dass der Sensor-Chip (2) elektrische Kontakte zum elektrischen Auslesen des Sensor-Chips (2) umfasst, insbesondere zum elektrischen Auslesen des Sensor-Chips (2) mit Hilfe einer externen Datenverarbeitungseinheit.
Flachkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkörper (1) wenigstens eine Öffnung (12) auf seiner Vorder- und/oder Rückseite (7, 8) aufweist, welche in fluidischem Kontakt mit der wenigstens einen ersten mikrofluidischen Einrichtung (3) steht, und/oder welche ausgebildet ist eine äußere Pumpe anzuschließen.
Verfahren zur Verwendung des Flachkörpers (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst: – eine E-Cup (5) wird mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit befüllt, und – die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) wird derart in die E-Cup (5) eingeführt, dass sie in direktem Kontakt zu der zu untersuchenden Flüssigkeit steht, und – die Flüssigkeit wird durch die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) in die erste mikrofluidische Einrichtung (3) transportiert, insbesondere durch einen Unterdruck und/oder Kapillarkräfte, und – die zu untersuchende Flüssigkeit wird über den Sensor-Chip (2) gleitet, und – wenigstens ein Sensor des Sensor-Chips (2) interagiert mit wenigstens einer chemischen und/oder biochemischen Substanz der zu untersuchenden Flüssigkeit und/oder mit einem Reaktionsprodukt einer Substanz der zu untersuchenden Flüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mikrofluidische Einrichtung (4) in einem ersten Schritt Flüssigkeit aus der E-Cup (5) aufnimmt und in einem zweiten Schritt Flüssigkeit in die E-Cup (5) abgibt, wobei insbesondere der erste und der zweite Schritt intervallartig wiederholt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als zu untersuchende Flüssigkeit Blut, Urin, Frisch- oder Abwasser verwendet wird und/oder die Sensoren des Sensor-Chips (2) DNA, RNA, Peptide oder Antikörper nachweisen.