DE102009050979B4

DE102009050979B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses und Vorrichtung zum Verschließen eines Entlüftungskanals

Info

Publication number: DE102009050979B4
Application number: DE200910050979
Authority: DE
Inventors: Mark Daniel; Markus Rombach; Martina Müller
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: DE102009050979A1

Abstract

Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses, mit: einem Substrat (30), das einen Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) aufweist, der sich in einen ersten Fluidkanal (60) und zumindest einen zweiten Fluidkanal (62) verzweigt, wobei eine erste Fluidkammer (52) über den ersten Fluidkanal (60) mit dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) fluidisch gekoppelt ist; und einer Antriebseinrichtung (32–40), wobei die Antriebseinrichtung (32–40) und die Geometrie der Fluidkanäle (60, 62) ausgelegt sind, um a) ein erstes Drehen des Substrats (30) mit einer Rotationsgeschwindigkeit zu bewirken, um eine Flüssigkeit (70) zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) mehrheitlich durch den ersten Fluidkanal (60) in die erste Fluidkammer (52) zu treiben, wobei eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) oder einen anderen Entlüftungskanal (82, 86) erfolgt und ein Restgasvolumen (72) in der ersten Fluidkammer (52) verbleibt; und b) ein zweites Drehen des Substrats (30) zu bewirken, um eine Flüssigkeit (74) zentrifugal aus...

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren, die zum Schalten von Flüssigkeiten in einem zentrifugal-mikrofluidischen System geeignet sind. Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zum Verschließen eines Entlüftungskanals, die beispielsweise zur Verwendung bei entsprechenden Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses verwendbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik anwendbar. Die zentrifugale Mikrofluidik erfuhr im letzten Jahrzehnt große Aufmerksamkeit aufgrund ihres Potentials für die Integration und Automatisierung von Analyse- und Diagnoseaufgaben. Wirtschaftlich sehr interessant ist insbesondere die Automatisierung von Routineaufgaben in günstigen Testträgern auf bezahlbaren Prozessierungsgeräten. Ein guter Kandidat für sehr günstige und überall verfügbare Prozessierungsgeräte sind Laborzentrifugen. Diese gehören ohnehin zur Standardausstattung von Laboren und sind aufgrund der großen Stückzahlen vergleichsweise günstig.
Insbesondere besteht Bedarf an einer Struktur, die ein sequentielles Abtrennen (Schalten) von Flüssigkeiten aus einer gemeinsamen Einlasskammer in beispielsweise zwei verschiedene Auslasskammern ermöglicht. Eine solche Struktur wird beispielsweise für die DNA-Aufreinigung benötigt. Für typische Laboraufgaben müssen sowohl wässerige Lösungen, beispielsweise Wasser mit einer Oberflächenspannung von ca. 73 mN/m bei 20°C, als auch hoch benetzende Flüssigkeiten, wie z. B. Ethanol mit einer Oberflächenspannung von ca. 23 mN/m bei 20°C, zuverlässig geschaltet werden.
Aus dem Stand der Technik sind bisher keine Lösungsansätze bekannt, die es zulassen, hochbenetzende Flüssigkeiten auf einer Laborzentrifuge, bei der nur eine Drehrichtung möglich ist, in einem günstigen mikrofluidischen Testträger, d. h. ohne lokale Oberflächenmodifikationen, von einem gemeinsamen Eingangsreservoir in verschiedene Ausgangsreservoire flexibel, d. h. ohne strenge geometrische Einschränkungen des Designs, zu schalten.
Im Folgenden wird auf derzeit bekannte zentrifugal-mikrofluidische Strukturen zum Schalten von Flüssigkeiten eingegangen, wobei Probleme am Beispiel einer DNA-Extraktion auf einer Laborzentrifuge erläutert werden.
Bei einer DNA-Extraktion/Aufreinigung werden ein Lysat und ein Waschpuffer durch eine Festphase geleitet und anschließend in eine Abfallkammer geschaltet. Als nächstes wird ein Elutionspuffer durch eine Festphase geleitet und in eine separate Kammer geschaltet und von dort aus entweder weiterprozessiert oder entnommen.
Eine Plattform für die zentrifugale Mikrofluidik ist bei J. Ducree, S. Haeberle, S. Lutz, S. Pausch, F. von Stetten, R. Zengerle, The centrifugal microfluidic bio-disk platform, J. Micromech. Microeng., 2007, Bd. 17(7), Seiten 103–115, beschrieben. Diese Schrift beschreibt unter anderem ein Schalten von Flüssigkeiten basierend auf der Corioliskraft. Ein entsprechendes Schalten von Flüssigkeiten ist auch in S. Haeberle, S. Pausch, R. Burger, S. Lutz, F. von Stetten, R. Zengerle, J. Ducrée, Automation of nucleid acid extracion by a coriolisforce actuated droplet router, Proceedings of the 11th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2007), Paris, France, 2007, Seiten 1231–1233 sowie der US 2008/0190503 A1 beschrieben. Die dort beschriebenen Verfahren erlauben das Schalten von Flüssigkeiten durch Umkehr der Drehrichtung. Dies ist jedoch auf einer Laborzentrifuge mit nur einer möglichen Drehrichtung keine geeignete Option, wobei zudem für eine zuverlässige Funktion eine lokale Modifikation des Kontaktwinkels auf dem Deckel notwendig ist, was den Herstellungsprozess verteuert. Die in den genannten Schriften beschriebenen Coriolis-Schalter ermöglichen das Schalten von Flüssigkeiten aus einer Einlasskammer in verschiedene Auslasskammern durch Umkehr der Drehrichtung.
Eine weitere bekannte Schalttechnik nutzt den Druck einer vorangehenden Flüssigkeitssäule auf eine eingeschlossene Luftblase, um eine nachfolgende Flüssigkeit in eine andere Auslasskammer zu zwingen. Eine solche Vorgehensweise ist bei J. Kim, H. Kido, R. H. Rangel, M. J. Madou, Passive flow switching valves on a centrifugal microfluidic platform, Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, Bd. 128(2), Seiten 613–621, beschrieben. 4 zeigt das in dieser Schrift beschriebene Funktionsprinzip. Eine Einlasskammer 10 ist an einem radial inneren Ende mit einer Einlassöffnung 12 fluidisch gekoppelt und an einem radial äußeren Ende mit einem Einlasskanal 14, dessen radial äußeres Ende mit einer Fluidkammer 16 verbunden ist. Die Fluidkammer 16 ist über einen Entlüftungskanal 18 mit einer Entlüftungsöffnung 20 verbunden. In einem von der Fluidkammer 16 beabstandeten Bereich zweigt von dem Einlasskammer 14 ein Abzweigungskanal 22 ab, der eine größere kapillare Barriere darstellt als der Einlasskanal 14. Eine Vergrößerung der Verzweigung ist im linken Bereich der 4 dargestellt, während im rechten Teil der 4 ein Manometer-Modell gezeigt ist, das ein statisches Druckgleichgewicht für die Flüssigkeit-Luft-Flüssigkeit-Anordnung unter einer Zentrifugation zeigt, wobei P_c der zentrifugale Druck, P_s der Kapillardruck, P_g der Gasdruck und P_a der atmosphärische Druck ist.
Das Funktionsprinzip des in 4 gezeigten Schalters basiert auf einer Flüssigkeitssäule 24 und einer in dem Einlasskanal 14 eingeschlossenen Luftblase. Eine erste Flüssigkeit läuft aus der Einlasskammer 10 aufgrund der geringeren kapillaren Barriere in die Kammer 16. Wird nachfolgend eine zweite Flüssigkeit 26 eingebracht, übt die Flüssigkeitssäule 24 einen Druck auf die zwischen der ersten Flüssigkeit und zweiten Flüssigkeit eingeschlossene Luftblase aus, die die nachfolgende zweite Flüssigkeit zu einem Fluss in den Abzweigungskanal 22 zwingt. In 4 sind die geometrisch relevanten Größen, nämlich die Radien r₁, r₂, r₃ und r₄ dargestellt, wobei der Radius r in 4 von oben nach unten zunimmt, so dass eine Zentrifugalkraft g nach unten wirkt.
Die in 4 gezeigte Lösung bringt eine starke Einschränkung hinsichtlich der Geometrie des mikrofluidischen Systems und der verwendbaren Flüssigkeitsmengen mit sich. Die Grenze für einen Fluss der Flüssigkeit in den Verzweigungskanal ist durch folgende Bedingung gegeben: r₂ ² – r₁ ² = r₄ ² = r₃ ². Damit ist bei einer fest vorgegebenen Geometrie das Schalten nur von vorgegebenen, präzise abzumessenden Flüssigkeitsmengen möglich. Zusätzlich erfordert diese Geometrie einen großen Abstand zwischen r₄ und r₂, um zu verhindern, dass die Luftblase in die Kammer 16 gedrückt wird, was den Schalteffekt negieren würde. Damit geht viel, auf einer Disk stark begrenzter, Platz verloren.
Eine weitere bekannte Lösung für das Schalten von Flüssigkeiten basiert auf zwei Auslasskanälen, die von einer gemeinsamen Einlasskammer abzweigen, wobei einer der Kanale aufgrund einer lokalen, wasserabweisenden (hydrophoben) Beschichtung dem Flüssigkeitsfluss einen größeren Widerstand entgegensetzt. Je nach Rotationsfrequenz des mikrofluidischen Systems wird dieser Widerstand entweder überwunden oder die Flüssigkeit in den anderen Kanal gezwungen. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die sehr präzise aufzubringende lokale hydrophobe Beschichtung kostenaufwändig ist und bei hoch benetzenden Flüssigkeiten an Effektivität verliert, da die Stopp-Wirkung der hydrophoben Beschichtung von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit abhängt.
Schließlich basiert ein weiterer bekannter Lösungsansatz zum Schalten von Flüssigkeiten auf dem selektiven Öffnen von Belüftungslöchern in Kammern. Ein solcher Lösungsansatz ist in der US 2008/0110500 A1 beschrieben. Der Schalt-Effekt beruht darauf, dass Flüssigkeit unter bestimmten Bedingungen nicht in eine unbelüftete Kammer fließt, da der Luftdruck die Flüssigkeit am Eindringen hindert. Eine Mehrzahl von radial außen liegenden Kammern ist jeweils mit einer verschließbaren Entlüftung versehen. Durch selektives Öffnen einer dieser Entlüftungen fließt Flüssigkeit unter Rotation des Testträgers bevorzugt in die belüftete Kammer. In der US 2008/0110500 A1 sind zwei Methoden zum Verschließen der Lüftungsöffnung explizit erwähnt, zum einen eine Klebefolie und zum anderen ein Septum. Drei Verfahren zum Öffnen der Entlüftung sind beschrieben, nämlich das Öffnen mit einem Laser, das Öffnen mit einem zum Durchstoßen geeigneten Gerät und das Öffnen mit einem Werkzeug. Somit wird das Öffnen entweder durch eine manuelle Operation erreicht oder durch einen komplizierten mechanischen oder laserbasierten zusätzlichen Aufbau.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass dem Stand der Technik keine Lösung für einen kostengünstig herstellbaren mikrofluidischen Schalter für das Schalten auch von hochbenetzenden Flüssigkeiten auf einer Laborzentrifuge bietet.
Aus der DE 10 2008 003 979 B3 sind Fluidikstrukturen mit einem pneumatischen Ventil beschrieben. Das dort beschriebene pneumatische Ventil weist eine erste Fluidkammer und eine zweite Fluidkammer auf, die über eine fluidische Verbindung verbunden sind, wobei die zweite Fluidkammer nur mit der erste Fluidkammer fluidisch verbunden ist und im Übrigen fluidisch geschlossen ist. Bei einer Rotation mit einer ersten Rotationsfrequenz unterhalb einer Drehfrequenzschwelle wird durch eine Flüssigkeit ein fluidischer Verschluss am fluidischen Zugang zu der zweiten Fluidkammer gebildet und eine Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer erzeugt, die einen radial außen liegenden Meniskus aufweist, auf den ein in der zweiten Fluidkammer befindliches Gas einen Gegendruck ausübt, der maßgeblich dafür ist, dass die Flüssigkeitssäule stabil bleibt. Bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle wird die Flüssigkeitssäule instabil, so dass Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt und Gas durch die Flüssigkeitssäule entweicht. Somit offenbart die DE 10 2008 003 979 B3 ein pneumatisches Ventil, das abhängig von der Drehfrequenz schaltbar ist.
Aus der US 2009/0111190 A1 ist eine mikrofluidische Vorrichtung bekannt, die einen Mikrohohlraum aufweist, der durch einen radial nach innen verlaufenden Mikrokanal in einen oberen und unteren Bereich getrennt ist. In dem Mikrokanal ist ein kapillares Ventil angeordnet. Zunächst werden der obere und der untere Bereich des Mikrohohlraums mit einer Flüssigkeit gefüllt, woraufhin eine Separation stattfindet, also dass sich schwerere Anteile in dem unteren Bereich sammeln. Nachfolgend wird eine Rotation derart geändert, dass das kapillare Ventil überwunden wird und der obere Bereich über den Mikrokanal entleert wird.
Aus der US 2006/0073082 A1 ist eine Fluidhandhabungsvorrichtung bekannt, die einen ersten Fluidkanal aufweist, der in einen zweiten und einen dritten Kanal verzweigt. Die Kanäle sind in einem Rotationskörper gebildet, wobei abhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit eine in den ersten Kanal fließende Flüssigkeit entweder in den zweiten Kanal oder den dritten Kanal gelenkt werden kann.
Aus der US 2008/0110500 A1 ist eine mikrofluidische Vorrichtung bekannt, die in einem Substrat eine Hauptkammer und eine Mehrzahl von Nebenkammern aufweist. Jede Nebenkammer weist ein verschließbares Entlüftungsloch auf. Flüssigkeit kann durch Drehen des Substrats in Nebenkammern, deren Entlüftungsöffnung geöffnet ist, gepumpt werden.
Die US 2009/0021741 A1 offenbart eine optische Erfassungsvorrichtung in einem mikrofluidischen System. Mehrere Erfassungskammern sind über einen Verteilungskanal mit einer Verdünnungskammer verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses zu schaffen, die ein Schalten von Flüssigkeiten auch auf einer unidirektionalen Dreheinheit, wie z. B. einer Laborzentrifuge, mit vertretbaren Kosten ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hierbei verwendbare Vorrichtung zum Verschließen eines Entlüftungskanals zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 12 und eine Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses, mit:
einem Substrat, das einen Flüssigkeitsbereitstellungsbereich aufweist, der sich in einen ersten Fluidkanal und zumindest einen zweiten Fluidkanal verzweigt, wobei eine erste Fluidkammer über den ersten Fluidkanal mit dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich fluidisch gekoppelt ist; und
einer Antriebseinrichtung,
wobei die Antriebseinrichtung und die Geometrie der Fluidkanäle ausgelegt sind, um

a) ein erstes Drehen des Substrats mit einer Rotationsgeschwindigkeit zu bewirken, um eine Flüssigkeit zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich mehrheitlich durch den ersten Fluidkanal in die erste Fluidkammer zu treiben, wobei eine Entlüftung der ersten Fluidkammer durch den ersten Fluidkanal oder einen anderen Entlüftungskanal erfolgt und ein Restgasvolumen in der ersten Fluidkammer verbleibt; und
b) ein zweites Drehen des Substrats zu bewirken, um eine Flüssigkeit zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich mehrheitlich in den zweiten Fluidkanal zu treiben, wobei
b1) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den ersten Fluidkanal erfolgte, das zweite Drehen nachfolgend mit einer anderen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, bei der eine Entlüftung der ersten Fluidkammer durch den ersten Fluidkanal nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer verbliebene Restgasvolumen einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit ausübt, dass die Flüssigkeit durch den zweiten Fluidkanal fließt, oder
b2) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den anderen Entlüftungskanal erfolgte, aufgrund einer beim zweiten Drehen auftretenden Zentrifugalkraft der andere Entlüftungskanal verschlossen wird und eine Entlüftung der ersten Fluidkammer durch den ersten Fluidkanal nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer verbliebene Restgasvolumen einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit ausübt, dass die Flüssigkeit durch den zweiten Fluidkanal fließt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses, mit:
Bereitstellen eines Substrats, das einen Flüssigkeitsbereitstellungsbereich aufweist, der sich in einen ersten Fluidkanal und zumindest einen zweiten Fluidkanal verzweigt, wobei eine erste Fluidkammer über den ersten Fluidkanal mit dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich fluidisch gekoppelt ist;

a) erstes Drehen des Substrats mit einer Rotationsgeschwindigkeit, um eine Flüssigkeit zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich mehrheitlich durch den ersten Fluidkanal in die erste Fluidkammer zu treiben, wobei eine Entlüftung der ersten Fluidkammer durch den ersten Fluidkanal oder einen anderen Entlüftungskanal erfolgt und ein Restgasvolumen in der ersten Fluidkammer verbleibt; und
b) zweites Drehen des Substrats, um eine Flüssigkeit zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich mehrheitlich in den zweiten Fluidkanal zu treiben, wobei
b1) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den ersten Fluidkanal erfolgte, das zweite Drehen nachfolgend mit einer anderen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, bei der eine Entlüftung der ersten Fluidkammer durch den ersten Fluidkanal nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer verbliebene Restgasvolumen einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit ausübt, dass die Flüssigkeit durch den zweiten Fluidkanal fließt, oder
b2) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den anderen Entlüftungskanal erfolgt, aufgrund einer beim zweiten Drehen auftretenden Zentrifugalkraft der andere Entlüftungskanal verschlossen wird und eine Entlüftung der ersten Fluidkammer durch den ersten Fluidkanal nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer verbliebene Restgasvolumen einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit ausübt, dass die Flüssigkeit durch den zweiten Fluidkanal fließt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ferner eine Vorrichtung zum Verschließen eines Entlüftungskanals, der sich zwischen einer Fluidkammer und einer Entlüftungsöffnung erstreckt, mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat, das den Entlüftungskanal, die Fluidkammer und die Entlüftungsöffnung aufweist; und
einer Antriebseinrichtung zum Beaufschlagen des Substrats mit einer Drehung, so dass abhängig von einer bei der Drehung auftretenden Zentrifugalkraft eine Schaltflüssigkeit den Entlüftungskanal verschließt oder offenlässt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit Schaltvorrichtungen bzw. Schaltverfahren zum Schalten einer Flüssigkeit durch einen ersten Fluidkanal in eine erste Fluidkammer oder in einen zweiten Fluidkanal. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht eine passive Struktur das Entweichen von Gas, wie z. B. Luft, aus einer Kammer, wie z. B. der ersten Fluidkammer, in die ein Flüssigkeitsfluss aufgrund der Geometrie eines Kanalsystems aus erstem Fluidkanal und zweitem Fluidkanal bevorzugt fließt, erlaubt oder verhindert. Diese Entlüftung kann beispielsweise durch das Kanalsystem, also durch die über das Kanalsystem zugeführte Flüssigkeit, direkt erfolgen, indem ein Phasenaustausch erreicht wird, oder über eine zusätzliche Entlüftung, die durch eine passive Struktur unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft geöffnet oder verschlossen sein kann.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird ein bevorzugter Flüssigkeitsfluss durch den ersten Fluidkanal dadurch erreicht, dass der erste und der zweite Fluidkanal derart ausgelegt sind, dass eine Energie, um eine Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal zu treiben, geringer ist als eine Energie, um die Flüssigkeit zentrifugal durch den zweiten Fluidkanal zu treiben. Bei Ausführungsbeispielen kann der zweite Fluidkanal einen sich von einem Bereich, in dem sich der Flüssigkeitsbereitstellungsbereich in den ersten und zweiten Fluidkanal verzweigt, radial nach innen verlaufenden Abschnitt aufweisen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass ein radial nach innen verlaufender Kanal „radial ansteigend” ist und ein radial nach außen verlaufender Kanal „radial abfallend” ist, analog zu den üblichen Bezeichnungen im Schwerkraftsystem. Eine durch eine Drehung bewirkte Zentrifugalkraft wirkt radial nach außen wirkt somit in radial abfallender Richtung.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die erste Fluidkammer mit Ausnahme des ersten Fluidkanals fluidisch geschlossen, so dass beim ersten Drehen eine Entlüftung durch den ersten Fluidkanal erfolgt. Das Drehen findet dabei mit einer Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehfrequenz oberhalb einer Drehfrequenzschwelle statt, so dass sich keine stabile Flüssigkeitssäule bildet und die Flüssigkeit in die erste Fluidkammer eindringt, wobei Gas durch die Flüssigkeitssäule entweicht, wie dies in der DE 10 2008 003 979 B3 beschrieben ist. Das zweite Drehen findet dann mit einer Rotationsgeschwindigkeit bzw. Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle statt, so dass das in der Fluidkammer eingeschlossene Restgasvolumen einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit ausübt, dass die Flüssigkeit nicht in die Fluidkammer eindringen kann und somit mehrheitlich in den zweiten Fluidkanal getrieben wird. Hinsichtlich des zugrunde liegenden pneumatischen Effekts wird auf die Lehre der DE 10 2008 003 979 B3 verwiesen, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung findet die Entlüftung während des ersten Drehens durch einen anderen Entlüftungskanal statt, der die Fluidkammer während des ersten Drehens mit einer Entlüftungsöffnung fluidisch verbindet, wobei die beim zweiten Drehen auftretende Zentrifugalkraft bewirkt, dass eine Flüssigkeit in dem Entlüftungskanal zwischen der ersten Fluidkammer und der Entlüftungsöffnung angeordnet ist, um den Entlüftungskanal zu verschließen, so dass beim zweiten Drehen wiederum ein in der ersten Fluidkammer angeordnetes Gasvolumen den pneumatischen Effekt hat, dass eine Flüssigkeit zentrifugal durch den zweiten Fluidkanal getrieben wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann zur Implementierung des anderen Entlüftungskanals eine Kanalstruktur vorgesehen sein, in der eine Schaltflüssigkeit angeordnet ist, derart, dass eine während des ersten Drehens wirkende Zentrifugalkraft die Schaltflüssigkeit in der Kanalstruktur derart anordnet, dass der Entlüftungskanal frei bleibt, während die während des zweiten Drehens wirkende Zentrifugalkraft die Schaltflüssigkeit in der Kanalstruktur derart anordnet, dass der Entlüftungskanal durch die Schaltflüssigkeit verschlossen ist. Bei derartigen Ausführungsbeispielen werden zum ersten und zweiten Drehen unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten verwendet, so dass abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Entlüftungskanal geöffnet oder verschlossen ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Schaltflüssigkeit erst beim zweiten Drehen in den Entlüftungskanal eingebracht werden und durch die Zentrifugalkraft derart in dem Entlüftungskanal gehalten werden, dass der Entlüftungskanal geschlossen ist, so dass das erste und zweite Drehen bei derartigen Ausführungsbeispielen bei gleichen Rotationsgeschwindigkeiten stattfinden kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, insbesondere solche, bei denen eine Entlüftung durch den ersten Fluidkanal stattfindet, ermöglichen das Schalten von Flüssigkeiten mit einer einfachen Struktur ohne lokale Beschichtungen auf einer Laborzentrifuge. Die Schaltfunktion des Luft-Gegendrucks ist deutlich stabiler gegenüber Flüssigkeiten mit niedrigen Oberflächenspannungen wie beispielsweise bekannte hydrophobe Ventile.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, insbesondere solche, die eine gesteuerte Entlüftung über einen zusätzlichen Entlüftungskanal vorsehen, bieten zahlreiche Vorteile dahin gehend, dass eine passive Flüssigkeitssteuerung möglich ist, die Drehrichtung unerheblich ist sowie die Schaltsequenz und die zu schaltenden Flüssigkeitsmengen in bestimmten Grenzen variierbar sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit ein passives Schalten einer Flüssigkeit auf einem mikrostrukturierten Substrat und der Rotation, ohne dass ein Ändern der Drehrichtung, eine lokale Modifikation der Benetzbarkeit oder eine definierte Flüssigkeitssäule in einer Auslasskammer notwendig ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Flüssigkeitsfluss aus einer oder mehreren Einlasskammern, die durch ein Kanalsystem mit einer oder mehreren Auslasskammern verbunden sind, wobei der Flüssigkeitsfluss durch das Kanalsystem bevorzugt in eine Auslasskammer geleitet wird, die ohne externe Aktuation eine Entlüftung aufweist oder blockiert, wodurch der Flüssigkeitsfluss in diese Kammer fließt oder in einen anderen Fluidkanal, der mit einer anderen Auslasskammer fluidisch gekoppelt sein kann, gedrückt wird. Die Entlüftung der bevorzugten Auslasskammer kann abhängig von der Zentrifugalkraft erfolgen und/oder der Verschluss der Entlüftung kann mit einer Flüssigkeit erfolgen, bei der es sich um eine Schaltflüssigkeit oder die Probenflüssigkeit handeln kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit passive mikrofluidische Schalter, bei denen keine exakt definierten Eingangsflüssigkeitsvolumina für den Schaltvorgang notwendig sind und bei denen die Geometrie in, verglichen mit dem Stand der Technik, größeren Grenzen variierbar sind. Ferner sind keine lokalen Beschichtungen und keine externen aktiven Komponenten notwendig.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a bis 1c schematische Darstellungen zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
2a bis 2c schematische Darstellungen zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
3 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßer Vorrichtungen; und
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines bekannten Lösungsansatzes.
Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug nehmend auf die in den 1 und 2 gezeigten Fluidikstrukturen beschrieben werden, wird zunächst auf 3 Bezug genommen, die schematisch eine Seitenansicht von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen zeigt. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat 30, in dem die erforderlichen Fluidikstrukturen gebildet sein können. Das Substrat 30 kann beispielsweise die Form eines rotationssymmetrischen Körpers, wie z. B. einer Scheibe (Bio-Disk) aufweisen. Alternativ kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein Substrat, in dem die erforderlichen Fluidikstrukturen gebildet sind, als ein Baustein ausgebildet sein, der nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist, und der in einen rotationssymmetrischen Rotationskörper eingesetzt wird. Eine Antriebseinrichtung für das Substrat 30 umfasst eine Auflage 32, eine Fixierung 34 zum Fixieren des Substrats 30 auf der Auflage 32, eine Antriebswelle 36 und einen Antriebsmotor 38. Eine Steuerung für den Antriebsmotor 38 ist schematisch bei 40 gezeigt. Die in 3 gezeigten Komponenten können somit eine Antriebseinrichtung bilden, die in der Lage ist, das Substrat 30 mit den erforderlichen Rotationsgeschwindigkeiten zu beaufschlagen. Beispielsweise können diese Komponenten durch eine Laborzentrifuge gebildet sein, wobei die Steuerung 40 entsprechend konfiguriert ist, um das Substrat mit den bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erforderlichen Rotationsgeschwindigkeiten zu beaufschlagen.
Fluidikstrukturen können auf beliebige geeignete Weise in dem Substrat 30 implementiert sein. Bei Ausführungsbeispielen können Ausnehmungen, die Fluidikstrukturen definieren, in einem Körper des Substrats 30 gebildet sein, wobei ein Deckel vorgesehen sein kann, in dem entsprechende Einlassöffnungen bzw. Entlüftungen vorgesehen sein können. Fluidikstrukturen können beispielsweise in einen COP-Körper (COP = Cyclo-Olefin-Polymer) gepresst sein, wobei der so bearbeitete Körper mit einem geeigneten Deckel versehen sein kann. Allgemein kann das Substrat ein zentrifugierbares strukturiertes Substrat sein, das die erforderlichen Fluidikstrukturen aufweist.
1a bis 1c und 2a bis 2c zeigen schematisch Ansichten eines entsprechenden Substrats, wobei die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung notwendigen Fluidikstrukturen dargestellt sind. Beispielsweise können die dargestellten Fluidikstrukturen in einem Grundkörper und einem darüber angeordneten Deckel gebildet sein, wobei der Deckel durchsichtig dargestellt ist, um die in dem Grundkörper gebildeten Fluidikstrukturen nicht zu verdecken. In den 1a bis 2c ist der Radius von oben nach unten zunehmend, wie durch Pfeile r in den 1a und 2a angezeigt ist, so dass eine durch eine Rotation des Substrats bewirkte Zentrifugalkraft ebenfalls in diese Richtung wirkt.
Die 1a bis 1c zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Schalters, bei dem eine radial weiter innen liegende Einlasskammer 50 über ein Kanalsystem mit einer ersten radial weiter außen liegenden Fluidkammer 52 und einer zweiten radial weiter außen liegenden Fluidkammer 54 verbunden ist. Das Kanalsystem umfasst einen radial abfallenden Kanalabschnitt 56, der sich an einer Verzweigung 58 in einen ersten Fluidkanal 60 und einen zweiten Fluidkanal 62 verzweigt. Der erste Fluidkanal 60 mündet in die erste Fluidkammer 52 und der zweite Fluidkanal 62 mündet in die zweite Fluidkammer 54. Die zweite Fluidkammer 52 weist keine andere Belüftung als den zweiten Fluidkanal 60 auf. Die zweite Fluidkammer 54 ist über einen Entlüftungskanal 64 mit einer Entlüftungsöffnung 66 fluidisch gekoppelt. Die Einlasskammer 50 ist mit Entlüftungs- bzw. Einlasslöchern 68 versehen.
Der erste Fluidkanal 60 und der zweite Fluidkanal 62 sind geometrisch derart ausgestaltet, dass ein bevorzugter Fluss von Flüssigkeit von dem Kanalabschnitt 56 durch den ersten Fluidkanal 60 stattfindet. Zu diesem Zweck können der erste Fluidkanal 60 und der zweite Fluidkanal 62 derart ausgelegt sein, dass eine Energie, um eine Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal zu treiben, geringer ist als eine Energie, um die Flüssigkeit zentrifugal durch den zweiten Fluidkanal 62 zu treiben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies erreicht, indem der zweite Fluidkanal 62 einen radial ansteigenden Kanalabschnitt 63a aufweist.
Wie den 1a bis 1c zu entnehmen ist, verläuft der Kanalabschnitt 56 radial abfallend, so dass die Verzweigung 58 radial weiter außen liegt wie der Auslass der Einlasskammer 50. Der Auslass des ersten Fluidkanals 60 in die erste Fluidkammer und der Auslass des zweiten Fluidkanals 62 in die zweite Fluidkammer 54 liegen radial weiter außen wie die Verzweigung 58.
Bei dem in 1a gezeigten stationären Zustand ist eine Flüssigkeit 70 in die Einlasskammer 50 eingebracht. Wird nun, unabhängig von der Drehrichtung, das Substrats mit einer Rotationsgeschwindigkeit oberhalb einer Drehfrequenzschwelle um eine Drehachse, die irgendwo oberhalb der dargestellten Fluidikstruktur liegt, gedreht, wirkt eine hohe Zentrifugalkraft Z auf die Flüssigkeit 70 in der radial inneren Einlasskammer 50, so dass diese über den Kanalabschnitt 56 und den ersten Fluidkanal 60 in die erste Fluidkammer 52 fließen wird. Die Drehfrequenzschwelle ist dabei eine solche, ab der eine Entlüftung der ersten Fluidkammer 52 in Form eines Phasenaustausches durch den ersten Fluidkanal 60 stattfindet, wie schematisch in 1b dargestellt ist. Bei diesem Vorgang wird die Flüssigkeit 70 vollständig in die erste Fluidkammer 52 eingebracht, so dass ein Restgasvolumen 72 in der ersten Fluidkammer 52 verbleibt, wie in 1c gezeigt ist. Hinsichtlich der Entlüftung über den Phasenaustausch wird wiederum auf die Lehre der DE 10 2008 003 979 B3 verwiesen.
Wie in 1c gezeigt ist, wird nachfolgend eine zweite Flüssigkeit 74 in der radial inneren Einlasskammer 50 bereitgestellt. Wird diese Flüssigkeit 74 in der radial inneren Kammer 50 mit einer langsameren Rotationsgeschwindigkeit unterhalb der Drehfrequenzschwelle beaufschlagt, die nicht für einen Phasenaustausch ausreichend ist, wird sie durch den Gegendruck der Luft des Restluftvolumens 72 in der unbelüfteten Kammer 52 durch den zweiten Fluidkanal 62 in die belüftete Kammer 54 gezwungen. Der durch die Luft bewirkte Gegendruck ist in 1c mit p₃ bezeichnet. Die Flüssigkeiten 70 und 74 können dabei gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können einen Anwendungsschwerpunkt auf dem Gebiet der DNA-Extraktion/Aufreinigung haben, bei der Lysat und Waschpuffer durch eine Festphase geleitet und anschließend in eine Abfallkammer geschaltet werden. Als nächstes wird ein Elutionspuffer durch die Festphase geleitet und in einen separate Kammer geschaltet, und von dort aus entweder weiterprozessiert oder entnommen. Übertragen auf das in den 1a bis 1c gezeigte Ausführungsbeispiel können beispielsweise Lysat und Waschpuffer in die erste Fluidkammer 52 geleitet werden, während der Elutionspuffer in die zweite Fluidkammer 54 geleitet werden kann.
Die 2a bis 2c zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Schalters, bei dem ebenfalls Flüssigkeit 70 von einer radial weiter innen liegenden Einlasskammer 50 zwischen mehreren Auslasskammern 52, 54 geschaltet wird. Gleiche Elemente sind dabei durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, wobei eine nochmalige Beschreibung derselben unterbleiben kann.
Bei dem in den 2a bis 2c gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kammern 50, 52 und 54 wiederum durch ein Kanalsystem verbunden, wobei ein Flüssigkeitsfluss durch das Kanalsystem wiederum bevorzugt in die erste Fluidkammer 52 gelenkt wird. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel verfügt die erste Fluidkammer 52 über eine Entlüftung, deren Zugang unter bestimmten Bedingungen durch eine Flüssigkeit verschlossen wird. Die Entlüftung umfasst einen Entlüftungskanal, der sich zwischen der ersten Fluidkammer 52 und einer Entlüftungsöffnung 80 erstreckt. Der Entlüftungskanal umfasst einen ersten Abschnitt 82, der sich von der ersten Fluidkammer 52 zu einer Verzweigung 84 erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 86, der sich von der Verzweigung 84 radial nach innen zu der Entlüftungsöffnung 80 erstreckt. Die Verzweigung ist radial weiter innen angeordnet wie die Position, an der der Entlüftungskanal in die erste Fluidkammer 52 mündet.
Ein Schaltkanal 88 erstreckt sich von der Verzweigung 84 zu einer Schaltkammer 90, die ein Volumen V₀ aufweist. Der Schaltkanal erstreckt sich von der Verzweigung 84 radial nach außen. Die Position, an der der Schaltkanal 88 in die Schaltkammer 90 mündet, liegt radial weiter außen wie die Verzweigung 84. Der erste Abschnitt 82 des Entlüftungskanals umfasst einen sich von der ersten Fluidkammer 52 radial nach innen erstreckenden Abschnitt 82a und einen sich von der Verzweigung 84 radial nach innen erstreckenden Abschnitt 82b.
2a zeigt einen stationären Zustand, bei dem die Flüssigkeit 70 in der Einlasskammer 50 bereitgestellt wurde und eine Schaltflüssigkeit 92 durch die Entlüftungsöffnung 80 in dem Entlüftungskanal bereitgestellt wurde. Ausgehend von diesem Zustand erfolgt eine Drehung bei einer hohen Rotationsgeschwindigkeit, so dass eine starke Zentrifugalkraft auftritt. Durch diese starke Zentrifugalkraft, wie sie durch den dicken Pfeil in 2b angezeigt ist, wird die Schaltflüssigkeit 92 aus dem Entlüftungskanalabschnitt 86 in den Schaltkanal 88 gedrückt. Somit ist eine Entlüftung durch die Entlüftungskanalabschnitte 82a, 82b und 86 möglich, wie durch einen Pfeil 94 in 2b angedeutet ist. Die Zentrifugalkraft muss dabei ausreichend sein, um die Schaltflüssigkeit 92 gegen den Druck in der Schaltkammer 90 in den Schaltkanal 88 zu drücken, so dass sich in der Schaltkammer 90 ein Überdruck p₁ bildet. Die Zentrifugalkraft bewirkt ferner, dass die Flüssigkeit 70 in der Einlasskammer 50 über den Kanalabschnitt 56 und den bevorzugten ersten Fluidkanal 60 in die erste Fluidkammer 52 getrieben wird, wobei die erste Fluidkammer 52 über die Entlüftungsöffnung 80 entlüftet wird.
Nachdem die Flüssigkeit 70 in die erste Fluidkammer 52 getrieben wurde, wird bei einer Drehung mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit die zweite Flüssigkeit 74 in die zweite Fluidkammer 54 getrieben. Die geringere Rotationsgeschwindigkeit hat eine geringere Zentrifugalkraft zur Folge, bei der die Schaltflüssigkeit 92 nicht vollständig in den Schaltkanal 88 gedrückt wird, sondern durch den in der geschlossenen Schaltkammer 90 herrschenden Luftdruck in den Kanalabschnitt 86 zurückgedrückt wird, so dass der Entlüftungsweg zwischen der Entlüftungsöffnung 80 und der ersten Fluidkammer 52 verschlossen ist, wie durch den unterbrochenen Pfeil 96 in 2c gezeigt ist.
Die Entlüftung ist somit geschlossen und die Flüssigkeit 74 wird durch die wirkende Zentrifugalkraft durch den zweiten Fluidkanal 62 in die zweite Fluidkammer 54 gedrückt, da durch den Gegendruck p₃ des in der ersten Fluidkammer 52 angeordneten Luftvolumens, verhindert wird, dass die Flüssigkeit 74 in diese erste Fluidkammer gelangt. Die Drehung, um die Flüssigkeit durch den zweiten Fluidkanal 62 in die zweite Fluidkammer 62 zu treiben, findet bei einer Rotationsgeschwindigkeit statt, die unterhalb einer Drehfrequenzschwelle liegt, ab der ein Phasenaustausch und somit eine Entlüftung durch den ersten Fluidkanal 60 stattfindet.
Bei dem in den 2a bis 2c gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit eine Entlüftung abhängig von der angelegten Rotationsgeschwindigkeit geöffnet und geschlossen, so dass keine aufwändigen mechanischen Vorrichtungen zum Öffnen und Schließen einer Entlüftungsöffnung vorgesehen werden müssen. Bei hohen Zentrifugalkräften wird die Schaltflüssigkeit ausreichend weit in den Schaltkanal und die Schaltkammer 90 gedrückt, um den Entlüftungskanal zu öffnen, während bei niedrigeren Zentrifugalkräften die Schaltflüssigkeit nicht ausreichend weit in den Schaltkanal 88 und die Schaltkammer 90 gedrückt wird, so dass die Entlüftung geschlossen ist.
Alternative passive Steuerungen der Entlüftung sind möglich. Beispielsweise kann ein Teil der Flüssigkeit aus der Einlasskammer verwendet werden, um die Entlüftung von der ersten Fluidkammer 52 zu verschließen. Alternativ kann erst dann, wenn die zweite Fluidkammer 54 mit einer Flüssigkeit gefüllt werden soll, eine Flüssigkeit in das Substrat eingebracht werden, während sie beim ersten Drehen, bei dem eine Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 52 eingebracht wird, nicht vorliegt. In einem solchen Fall können die beiden Drehungen bei der gleichen Rotationsgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Es ist möglich, die Schaltflüssigkeit zum passiven Steuern der Entlüftung in dem Substrat vorzulagern oder sie bei Beginn des Prozesses einzufüllen.
Die beschriebene passive Steuerung einer Entlüftung unter Ausnutzung einer Zentrifugalkraft kann neben der beschriebenen Anwendung für ein Schalten von Flüssigkeiten bei beliebigen Anwendungen eingesetzt werden, bei dem eine Entlüftung einer Fluidkammer steuerbar sein soll. Somit ist eine entsprechende Steuerung einer Entlüftung nicht auf den beschriebenen Anwendungsfall begrenzt, sondern universell einsetzbar.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind insbesondere für mikrofluidische Anwendungen geeignet. Unter mikrofluidischen Anwendungen sind dabei solche Anwendungen zu verstehen, bei denen die Fluidikstrukturen relevante Abmessungen im Mikrometerbereich oder darunter aufweisen.
Ein Anwendungsschwerpunkt von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann auf biologischem Gebiet und insbesondere der DNA-Extraktion/Aufreinigung liegen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt und kann in weiteren Kontexten, die ein Schalten von Flüssigkeiten erfordern, verwendet werden.
In der obigen Beschreibung wurden spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert erläutert. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf derartige Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Vielmehr kann beispielsweise eine Mehrzahl von Einlasskammern mit einer Mehrzahl von jeweiligen Kanalsystemen vorgesehen sein, über die die Mehrzahl von Einlasskammern mit einer Mehrzahl von radial weiter außen angeordneten Fluidkammern gekoppelt sind. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der nicht bevorzugte zweite Fluidkanal 62 einen radial nach innen verlaufenden Abschnitt auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen könnte der nicht bevorzugte Kanal dadurch implementiert sein, dass er eine höhere kapillare Barriere bietet als der bevorzugte Kanal. Alternativ kann ein bevorzugter Kanal ein solcher sein, der bei einer vorgegebenen Drehrichtung aufgrund der wirkenden Coriolis-Kraft bevorzugt ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann beim ersten Drehen und zweiten Drehen des Substrats der Flüssigkeitsfluss unterschiedlicher Flüssigkeiten gesteuert werden. Ferner können zunächst zwei oder mehr unterschiedliche Flüssigkeiten in die erste Fluidkammer eingebracht werden, bevor eine weitere Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eingebracht wird. Wiederum alternativ können die in den Fluidkammern eingebrachten Flüssigkeiten die gleiche Flüssigkeit sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit eine Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses, die ein Substrat umfasst, das einen Flüssigkeitsbereitstellungsbereich aufweist, der sich in einen ersten Fluidkanal und zumindest einen zweiten Fluidkanal verzweigt, wobei eine erste Fluidkammer über den ersten Fluidkanal mit dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich fluidisch gekoppelt ist. Eine Antriebseinrichtung zum Drehen des Substrats ist vorgesehen, wobei bei einem ersten Drehen die erste Fluidkammer entlüftet wird, so dass eine Flüssigkeit in die erste Fluidkammer gelangt. Bei einem zweiten Drehen wird die erste Fluidkammer nicht entlüftet, so dass eine Flüssigkeit nicht in die erste Fluidkammer, sondern eine zweite Fluidkammer gelangt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine Vorrichtung zum Steuern einer Entlüftung, die einen zwischen einer Fluidkammer und einer Entlüftungsöffnung angeordneten Entlüftungskanal umfasst, in dem durch Zentrifugalkraft eine Flüssigkeit angeordnet werden kann, um den Entlüftungskanal zu verschließen.

Claims

Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses, mit: einem Substrat (30), das einen Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) aufweist, der sich in einen ersten Fluidkanal (60) und zumindest einen zweiten Fluidkanal (62) verzweigt, wobei eine erste Fluidkammer (52) über den ersten Fluidkanal (60) mit dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) fluidisch gekoppelt ist; und einer Antriebseinrichtung (32–40), wobei die Antriebseinrichtung (32–40) und die Geometrie der Fluidkanäle (60, 62) ausgelegt sind, um a) ein erstes Drehen des Substrats (30) mit einer Rotationsgeschwindigkeit zu bewirken, um eine Flüssigkeit (70) zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) mehrheitlich durch den ersten Fluidkanal (60) in die erste Fluidkammer (52) zu treiben, wobei eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) oder einen anderen Entlüftungskanal (82, 86) erfolgt und ein Restgasvolumen (72) in der ersten Fluidkammer (52) verbleibt; und b) ein zweites Drehen des Substrats (30) zu bewirken, um eine Flüssigkeit (74) zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) mehrheitlich in den zweiten Fluidkanal (54) zu treiben, wobei b1) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den ersten Fluidkanal (60) erfolgte, das zweite Drehen nachfolgend mit einer anderen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, bei der eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer (52) verbliebene Restgasvolumen (72) einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit (70) ausübt, dass die Flüssigkeit (70) durch den zweiten Fluidkanal (62) fließt, oder b2) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den anderen Entlüftungskanal (82, 86) erfolgte, aufgrund einer beim zweiten Drehen auftretenden Zentrifugalkraft der andere Entlüftungskanal (82, 86) verschlossen wird und eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer (52) verbliebene Restgasvolumen einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit (74) ausübt, dass die Flüssigkeit (74) durch den zweiten Fluidkanal (62) fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Fluidkanal (60, 62) derart ausgelegt sind, dass eine Energie, um eine Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal (60) zu treiben, geringer ist als eine Energie, um die Flüssigkeit zentrifugal durch den zweiten Fluidkanal (62) zu treiben.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Fluidkanal (62) einen sich von einem Bereich (58), in dem sich der Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) in den ersten und zweiten Fluidkanal (60, 62) verzweigt, radial nach innen erstreckenden Abschnitt (62a) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zweite Fluidkanal (62) in eine weitere Fluidkammer (54) mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) einen von einer Einlasskammer (50) sich radial nach außen erstreckenden Fluidkanal (56) aufweist, der sich in den ersten und zweiten Fluidkanal (60, 62) verzweigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die erste Fluidkammer (52) mit Ausnahme des ersten Fluidkanals (60) fluidisch geschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der ein Entlüftungskanal (82, 86) die erste Fluidkammer (52) mit einer Entlüftungsöffnung (80) fluidisch verbindet, wobei die beim zweiten Drehen auftretende Zentrifugalkraft dazu beiträgt, dass eine Schaltflüssigkeit (92) in dem Entlüftungskanal (82, 86) zwischen der ersten Fluidkammer (52) und der Entlüftungsöffnung (80) angeordnet ist, um den Entlüftungskanal zu verschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Entlüftungskanal einen ersten Abschnitt (82), der sich von der ersten Fluidkammer (52) zu einer Verzweigung (84) erstreckt, und einen zweiten Abschnitt (86), der sich von der Verzweigung (84) zu der Entlüftungsöffnung (80) erstreckt, aufweist, wobei sich der Entlüftungskanal an der Verzweigung in den zweiten Abschnitt (86) und einen Schaltkanal (88) verzweigt, wobei sich der Schaltkanal (88) zwischen der Verzweigung (84) und einer Schaltkammer (90) erstreckt, wobei das erste Drehen mit einer solchen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, dass die Schaltflüssigkeit (92) vollständig aus dem Entlüftungskanal (82, 86) in den Schaltkanal (88) getrieben wird, so dass der Entlüftungskanal (82, 86) offen ist, und wobei das zweite Drehen mit einer solchen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, dass zumindest ein Teil der Schaltflüssigkeit (92) in dem zweiten Abschnitt (86) des Entlüftungskanals angeordnet ist und den Entlüftungskanal verschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der erste Abschnitt (82) des Entlüftungskanals (82, 86) einen sich von der ersten Fluidkammer (52) radial nach innen erstreckenden Abschnitt (82a) und einen sich von der Verzweigung (84) radial nach innen erstreckenden Abschnitt (82b) aufweist, bei der der zweite Abschnitt (86) des Entlüftungskanals einen sich von der Verzweigung (84) radial nach innen erstreckenden Abschnitt aufweist und bei der der Schaltkanal (88) einen sich von der Verzweigung (84) radial nach außen erstreckenden Abschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das erste und das zweite Drehen die gleiche Drehrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das erste Drehen bei einer ersten und das zweite Drehen bei einer zweiten Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, wobei die erste Rotationsgeschwindigkeit größer ist als die zweite Rotationsgeschwindigkeit.
Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses, mit: Bereitstellen eines Substrats (30), das einen Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) aufweist, der sich in einen ersten Fluidkanal (60) und zumindest einen zweiten Fluidkanal (62) verzweigt, wobei eine erste Fluidkammer (52) über den ersten Fluidkanal (60) mit dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) fluidisch gekoppelt ist; a) erstes Drehen des Substrats (30) mit einer Rotationsgeschwindigkeit, um eine Flüssigkeit (70) zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) mehrheitlich durch den ersten Fluidkanal (60) in die erste Fluidkammer (52) zu treiben, wobei eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) oder einen anderen Entlüftungskanal (82, 86) erfolgt und ein Restgasvolumen (72) in der ersten Fluidkammer (52) verbleibt; und b) zweites Drehen des Substrats (30), um eine Flüssigkeit (74) zentrifugal aus dem Flüssigkeitsbereitstellungsbereich (50, 56) mehrheitlich in den zweiten Fluidkanal (62) zu treiben, wobei b1) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den ersten Fluidkanal (60) erfolgte, das zweite Drehen nachfolgend mit einer anderen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, bei der eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer (52) verbliebene Restgasvolumen (72) einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit (74) ausübt, dass die Flüssigkeit (74) durch den zweiten Fluidkanal (62) fließt, oder b2) falls beim ersten Drehen die Entlüftung durch den anderen Entlüftungskanal (82, 86) erfolgt, aufgrund einer beim zweiten Drehen auftretenden Zentrifugalkraft der andere Entlüftungskanal (82, 86) verschlossen wird und eine Entlüftung der ersten Fluidkammer (52) durch den ersten Fluidkanal (60) nicht erfolgt, so dass das in der ersten Fluidkammer (52) verbliebene Restgasvolumen (72) einen solchen Gegendruck auf die Flüssigkeit (72) ausübt, dass die Flüssigkeit (74) durch den zweiten Fluidkanal (62) fließt.
Vorrichtung zum Verschließen eines Entlüftungskanals (82, 86), der sich zwischen einer Fluidkammer (52) und einer Entlüftungsöffnung (80) erstreckt, mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (30), das den Entlüftungskanal (82, 86), die Fluidkammer (52) und die Entlüftungsöffnung (80) aufweist; und einer Antriebseinrichtung (32–40) zum Beaufschlagen des Substrats (30) mit einer Drehung, so dass abhängig von einer bei der Drehung auftretenden Zentrifugalkraft eine Schaltflüssigkeit den Entlüftungskanal (82, 86) verschließt oder offenlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Entlüftungskanal einen ersten Abschnitt (82), der sich von der ersten Fluidkammer (52) zu einer Verzweigung (84) erstreckt, und einen zweiten Abschnitt (86), der sich von der Verzweigung (84) zu der Entlüftungsöffnung (80) erstreckt, aufweist, wobei sich der Entlüftungskanal an der Verzweigung in den zweiten Abschnitt (86) und einen Schaltkanal (88) verzweigt, wobei sich der Schaltkanal (88) zwischen der Verzweigung (84) und einer Schaltkammer (90) erstreckt, wobei ein erstes Drehen mit einer solchen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, dass die Schaltflüssigkeit (92) vollständig aus dem Entlüftungskanal (82, 86) in den Schaltkanal (88) getrieben wird, so dass der Entlüftungskanal (82, 86) offen ist, und wobei ein zweites Drehen mit einer solchen Rotationsgeschwindigkeit erfolgt, dass zumindest ein Teil der Schaltflüssigkeit (92) in den zweiten Abschnitt (86) des Entlüftungskanals angeordnet ist und den Entlüftungskanal verschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der erste Abschnitt (82) des Entlüftungskanals (82, 86) einen sich von der ersten Fluidkammer (52) radial nach innen erstreckenden Abschnitt (82a) und einen sich von der Verzweigung (84) radial nach innen erstreckenden Abschnitt (82b) aufweist, bei der der zweite Abschnitt (86) des Entlüftungskanals einen sich von der Verzweigung (84) radial nach innen erstreckenden Abschnitt aufweist und bei der der Schaltkanal (88) einen sich von der Verzweigung (84) radial nach außen erstreckenden Abschnitt aufweist.