DE102010030489A1

DE102010030489A1 - System zu Behandlung von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102010030489A1
Application number: DE102010030489A
Authority: DE
Inventors: Axel Fikus; Michael Hanko; Stefanie Hönncher
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Ein System (1) zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Analyse und/oder Synthese, von Flüssigkeiten, umfasst: – eine Fluidikeinheit (500) mit mindestens einer Funktionseinheit (530); – mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230); – mindestens einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430); – eine erste Flüssigkeitsleitung (160, 260), welche den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) und die Fluidikeinheit (500) zur Zuleitung von Flüssigkeit (170, 270) aus dem Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) in die Fluidikeinheit (500) verbindet; und – eine zweite Flüssigkeitsleitung (360, 460), welche den Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) und die Fluidikeinheit (500) zur Ableitung von Flüssigkeit (170, 270) aus der Fluidikeinheit (500) in den Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss von Flüssigkeit (170, 270) durch die erste Flüssigkeitsleitung (160, 260) in Richtung von der Fluidikeinheit (500) zum Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) hin mittels eines ersten Ventils (150, 250) mindestens zeitweise gesperrt ist, und dass ein Durchfluss von Flüssigkeit (170, 270) durch die zweite Flüssigkeitsleitung (360, 460) in Richtung vom Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) zur Fluidikeinheit (500) hin mittels eines zweiten Ventils (350, 450) mindestens zeitweise gesperrt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Anwendung in der Analytik.
Systeme zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Analyse, werden beispielsweise in der Prozessmesstechnik oder in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Beispielsweise können Analysesysteme zur Überwachung und Optimierung der Reinigungsleistung einer Kläranlage, zur Überwachung von Trinkwasser oder zur Qualitätsüberwachung von Lebensmitteln eingesetzt werden. Gemessen und überwacht werden beispielsweise der Gehalt einer flüssigen Probe an speziellen Substanzen, zum Beispiel von Ionen wie Ammonium, Phosphat oder Nitrat, oder biologischen oder biochemischen Verbindungen wie Hormonen, oder an Mikroorganismen, z. B. Bakterien.
Häufig wird in Analysesystemen die zu analysierende Probe mit einem oder mehreren Reagenzien versetzt, so dass eine chemische Veränderung, beispielsweise aufgrund einer chemischen Reaktion der zu überwachenden Substanz mit dem Reagenz, in der Flüssigkeitsprobe auftritt. Vorzugsweise werden die Reagenzien so gewählt, dass die chemische Veränderung mittels physikalischer Methoden, beispielsweise durch optische Messungen, nachweisbar ist. Ein einfaches Beispiel für eine solche chemische Veränderung kann ein Farbumschlag sein, der photometrisch, also mit optischen Mitteln, detektierbar ist. Im Bereich der Bioanalytik werden häufig Analyseverfahren nach einem Assay-Prinzip angewendet. Diese beruhen auf einer spezifischen Bindungsfähigkeit eines zu detektierenden Biomoleküls an einen Bindungspartner. Häufig werden die Bindungspartner so gewählt, dass das zu bestimmende Molekül, auch als Analyt bezeichnet, und der Bindungspartner ein Antikörper/Antigen-System bilden. Mit Hilfe von physikalisch detektierbaren Markierungen am Analyten, dem Bindungspartner oder einem dem System zugesetzten Kompetitor, der ebenfalls an den Bindungspartner des Analyten gebunden werden kann, kann die Menge der spezifisch gebundenen Analytmoleküle ermittelt werden, und daraus auf die Konzentration des Analyten in der Probe geschlossen werden. Die Markierungen können beispielsweise durch lumineszierende Moleküle, lumineszierende Nanoteilchen oder magnetische Nanoteilchen gebildet werden. Häufig wird der Bindungspartner, an den der Analyt spezifisch bindet, auf einer Oberfläche immobilisiert, er kann aber auch in Lösung vorliegen.
Um solche Analyseverfahren automatisiert, beispielsweise im industriellen Bereich, einzusetzen, ist es erforderlich, ein Analysesystem bereitzustellen, das die benötigten Analyseverfahren automatisiert durchführt. Die wichtigsten Anforderungen an ein solches Analysesystem sind, neben einer ausreichenden Messgenauigkeit, zusätzlich Robustheit, einfache Bedienbarkeit und die Gewährleistung einer ausreichenden Arbeits- bzw. Umweltsicherheit. Da die für die Analyse verwendeten Reagenzien zum Teil nicht ohne weiteres in den Wasserkreislauf zurückgegeben werden können, spielt deren sichere Entsorgung ebenfalls eine wesentliche Rolle.
Im Stand der Technik existieren bereits eine ganze Reihe von halbautomatischen und automatischen Analysesystemen. Obwohl viele von diesen einwandfrei funktionieren, sind sie im Aufbau häufig relativ kompliziert und daher anfällig für Defekte und in der Regel nur für geschultes Bedienpersonal zu bedienen. So zeigt beispielsweise DE 102 22 822 A1 einen Online-Analysator zum Analysieren einer Messprobe. Der Online-Analysator ist als Schrankgerät ausgestaltet, in dem eine Steuereinheit, Reagenzienvorratsbehälter, Pumpen zum Fördern von Reagenzien in eine Mischküvette zum Vermischen der Reagenzien mit der Flüssigkeit, ein Abfallbehälter, sowie eine optische Einheit für optische Messungen an der in der Mischküvette mit Reagenzien umgesetzten Flüssigkeitsprobe angeordnet sind. Die Reagenzien werden über Schlauchverbindungen aus den Reagenzienbehältern gefördert und in die Mischküvette transportiert. Entsprechend wird verbrauchte Flüssigkeit aus der Mischküvette wiederum über eine Schlauchverbindung in den Abfallbehälter überführt. Muss der Abfallbehälter oder einer der Reagenzienvorratsbehälter ausgetauscht werden, ist dafür Sorge zu tragen, dass die Schlauchverbindungen anschließend wieder richtig angeschlossen werden. Die Schläuche und die Förderpumpen sind anfällig für Materialermüdung und müssen ebenfalls von Zeit zu Zeit gewartet oder ausgetauscht werden.
Speziell im Bereich der Biosensorik und der Medizintechnik sind Analysesysteme entwickelt worden, bei denen die Behandlung der zu untersuchenden Probe mit Reagenzien mittels Techniken durchgeführt werden, die aus dem technischen Gebiet des „Labor auf dem Chip” (engl. Fachausdruck: „lab an a chip”) bekannt sind. Häufig ist nur noch die Probe auf einen vorbereiteten Chip aufzubringen, der neben Flüssigkeitsleitungen für die Probe und für Reagenzien auch Reagenzienreservoire sowie Funktionselemente, zum Beispiel Mischer oder Ventile, umfasst. Der Chip kann nach Aufbringen der Probe in ein Analysegerät eingeschoben werden, das die Behandlung der flüssigen Probe mit den Reagenzien durchführt und steuert und die entsprechenden physikalischen Messungen an der behandelten Flüssigkeitsprobe durchführt. Ein solches Gerät ist beispielsweise in US 2009/0126505 A1 oder EP 1 967 266 A1 beschrieben. Die dort gezeigten Chips sind als Einwegprodukte ausgestaltet, so dass für jede Analyse ein neuer Chip verwendet werden muss.
Dokument US 2009/0053814 A1 beschreibt ein Analysesystem mit automatisch auffüllbaren internen Reagenzienspeichern und einem Fluidiksystem zur automatischen Behandlung einer Flüssigkeitsprobe mit den Reagenzien sowie einer optischen Messvorrichtung zum Detektieren chemischer Veränderungen in der behandelten Probe. Auch dieses System ist mit Spritzenpumpen, Fluidikverbindungen zwischen den Pumpen und den Reagenzienbehältern, Ventilen zum Umschalten zwischen einem externen Reagenzienreservoir und einem internen Reagenzienspeicher relativ kompliziert aufgebaut und somit wartungsintensiv und nur von geschultem Bedienpersonal zu bedienen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein System zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere in einem Analysesystem, zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Stands der Technik überwindet. Insbesondere soll das System den Anforderungen für den Einsatz in der Prozessmesstechnik genügen, d. h. es soll in der Lage sein, eine Reihe von Behandlungen, insbesondere Analysen, durchzuführen, ohne dass zwischendurch Teile ausgetauscht werden müssen. Dabei soll es robust, preisgünstig und einfach zu bedienen sein, insbesondere soll auch die Gefahr einer Kontamination einer Bedienperson bzw. der Umgebung vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Behandlung von Flüssigkeiten, insbesondere zur Analyse und/oder Synthese von Flüssigkeiten, umfassend

– eine Fluidikeinheit mit mindestens einer Funktionseinheit;
– mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art;
– mindestens einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art;
– eine erste Flüssigkeitsleitung, welche den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art und die Fluidikeinheit zur Zuleitung von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher erster Art in die Fluidikeinheit verbindet; und
– eine zweite Flüssigkeitsleitung, welche den Flüssigkeitsspeicher erster Art und die Fluidikeinheit zur Ableitung von Flüssigkeit aus der Fluidikeinheit in den Flüssigkeitsspeicher zweiter Art verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss von Flüssigkeit durch die erste Flüssigkeitsleitung in Richtung von der Fluidikeinheit zum Flüssigkeitsspeicher erster Art hin mittels eines ersten Ventils mindestens zeitweise gesperrt ist, und dass ein Durchfluss von Flüssigkeit durch die zweite Flüssigkeitsleitung in Richtung vom Flüssigkeitsspeicher zweiter Art zur Fluidikeinheit hin mittels eines zweiten Ventils mindestens zeitweise gesperrt ist.

Unter einer Fluidikeinheit wird ein System zur Handhabung, insbesondere zur Durchleitung und zum Mischen von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, durch einen oder mehrere Fluidleitungen, beispielsweise Flüssigkeitsleitungen, verstanden, wobei zusätzliche Funktionseinheiten vorgesehen sein können. Spezialfälle von Fluidikeinheiten sind Mikrofluidikeinheiten. In diesen sind die Fluidleitungen und die Funktionseinheiten miniaturisiert, das bedeutet, dass die Fluidleitungen als Kanäle einen Querschnitt zwischen 10⁷ und 1 μm², bevorzugt zwischen 10⁶ und 10² μm², weiter bevorzugt zwischen 10⁵ und 10⁴ μm² aufweisen.
Eine Funktionseinheit einer (Mikro-)Fluidikeinheit kann beispielsweise ein Reaktionsbehälter bzw. eine Mischvorrichtung sein. Eine Funktionseinheit kann auch ein Signalwandler eines Sensors sein, beispielsweise eine Oberfläche, auf der eine Schicht von biochemischen Rezeptoren aufgebracht oder aufbringbar ist, an die ein in der Probe zu detektierendes Biomolekül spezifisch bindet. Auch eine Chromatographiesäule, zum Beispiel für HPLC, insbesondere in Kombination mit einem Detektor, kann eine Funktionseinheit bilden.
Unter der Behandlung einer Flüssigkeit wird insbesondere das Mischen mit Reagenzien, beispielsweise zur Durchführung einer chemischen Reaktion, verstanden, wobei es sich bei den Flüssigkeiten und den Reagenzien um reine Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemische, Lösungen, Emulsionen oder Suspensionen handeln kann. Eine Behandlung von Flüssigkeiten kann auch eine Analyse umfassen. Ferner kann eine Behandlung von Flüssigkeiten auch darin bestehen, zwei oder mehr Flüssigkeiten nacheinander durch eine Funktionseinheit zu leiten, beispielsweise um in einem ersten Schritt eine Oberfläche der Funktionseinheit zu aktivieren, indem in einer ersten Flüssigkeit enthaltene Bindungspartner für einen zu bestimmenden Analyten an der Oberfläche immobilisiert werden, in einem zweiten Schritt eine Probe, die den Analyten enthält, in die so vorbereitete Funktionseinheit zu leiten und in einem dritten Schritt die Oberfläche wieder zu reinigen oder zu regenerieren.
Das System kann einen oder mehrere Flüssigkeitsspeicher erster Art und einen oder mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art aufweisen. Der oder die Flüssigkeitsspeicher erster Art enthalten Flüssigkeiten, die in die Fluidikeinheit einzuleiten sind. Sie sind in der Regel „Vorratsbehälter” für Reagenzien, Regenerierungs- oder Reinigungsflüssigkeit zur Regenerierung z. B. von Funktionseinheiten der Fluidikeinheit, oder zur Reinigung der Fluidikeinheit. Ein Flüssigkeitsspeicher erster Art kann auch als Zwischenspeicher für die zu analysierende Probe dienen, die zunächst aus einem Prozessgefäß, beispielsweise einer Rohrleitung, entnommen, und danach in den Flüssigkeitsspeicher erster Art eingefüllt wird. Dies kann automatisiert erfolgen, beispielsweise mittels pneumatischer Probenahme. Der für die Probe vorgesehene Flüssigkeitsspeicher erster Art umfasst dazu einen Anschluss für eine Probenzuleitung und einen Anschluss für eine Flüssigkeitsleitung, über die die Probe der Fluidikeinheit zugeführt werden kann. Der oder die Flüssigkeitsspeicher zweiter Art dienen dazu, Flüssigkeiten aus der Fluidikeinheit aufzunehmen. Sie sind in der Regel Abfallbehälter”, die die behandelte und analysierte Flüssigkeitsprobe, die gegebenenfalls mit Reagenzien vermischt ist, aufnehmen.
Umfasst das System mehrere Flüssigkeitsspeicher erster Art und/oder mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art, die jeweils über eine Flüssigkeitsleitung mit der Fluidikeinheit verbunden sind, ist vorteilhafterweise ein Durchfluss von Flüssigkeit durch die die Flüssigkeitsspeicher erster Art mit der Fluidikeinheit verbindenden Flüssigkeitsleitungen in Richtung von der Fluidikeinheit zu den Flüssigkeitsspeichern erster Art hin mittels erster Ventile mindestens zeitweise gesperrt, und ein Durchfluss von Flüssigkeit durch die die Flüssigkeitsspeicher zweiter Art mit der Fluidikeinheit verbindenden Flüssigkeitsleitungen in Richtung von den Flüssigkeitsspeichern zweiter Art hin zu der Fluidikeinheit mittels zweiter Ventile mindestens zeitweise gesperrt. Die ersten Ventile sind hierzu jeweils im Strömungsweg zwischen einem Flüssigkeitsspeicher erster Art und der Fluidikeinheit angeordnet. Die zweiten Ventile sind entsprechend jeweils im Strömungsweg zwischen einem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art und der Fluidikeinheit angeordnet. Dabei können sie in einer Flüssigkeitsleitung, in der Fluidikeinheit selbst oder im Bereich eines Anschlusses des Flüssigkeitsspeichers an die Flüssigkeitsleitung angeordnet sein.
In einer ersten Variante kann es sich bei den Ventilen um pneumatisch betätigbare Ventile handeln, die auch als pneumatisch aktuierte Ventile bezeichnet werden. Diese Ventile können, je nach Bedarf, zum Durchlassen von Flüssigkeit durch den jeweiligen Strömungsweg geöffnet werden. Um den Durchfluss von Flüssigkeit durch den Strömungsweg zu sperren, können die pneumatisch aktuierten Ventile entsprechend geschlossen werden. Hierzu umfasst das System entsprechende Pneumatik-Leitungen. Die pneumatisch aktuierten Ventile können in vielfältiger Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise können sie als unbetätigt offene Ventile (englischer Fachausdruck: „normally open”), d. h. so ausgestaltet sein, dass sie in ihrer unbetätigten Ruhestellung geöffnet sind. Vorteilhaft können die pneumatisch aktuierten Ventile als unbetätigt geschlossene Ventile (englischer Fachausdruck: „normally closed”) ausgestaltet, d. h. so ausgestaltet sein, dass sie in ihrer unbetätigten Ruhestellung geschlossen sind. Alternativ können die Ventile statt pneumatisch auch elektrisch oder hydraulisch betätigbar sein.
In einer zweiten Variante kann es sich bei den Ventilen um Rückschlagventile handeln. Ein Rückschlagventil, auch als Einwegventil bezeichnet, sperrt generell den Durchgang eines Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit, in eine Richtung, die im Folgenden auch als Sperrrichtung bezeichnet wird, während es den Durchgang in die entgegengesetzte Richtung, die im Folgenden auch als Durchlassrichtung bezeichnet wird, erlaubt. Üblicherweise sind Rückschlagventile so ausgestaltet, dass ein Mindestdruck, der als Durchbruchdruck oder Ansprechdruck bezeichnet wird, erforderlich ist, damit das Ventil die Flüssigkeit in Durchlassrichtung passieren lässt.
Damit das erste Rückschlagventil also den Durchfluss einer Flüssigkeit in Richtung von der Fluidikeinheit zu dem mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art hin sperrt, ist das erste Rückschlagventil so im Strömungsweg zwischen dem Flüssigkeitsspeicher erster Art und der Fluidikeinheit angeordnet, dass seine Durchlassrichtung in Richtung des Strömungsweges von dem Flüssigkeitsspeicher zur Fluidikeinheit hin weist, während seine Sperrrichtung entsprechend in Gegenrichtung weist. Sind mehrere Flüssigkeitsspeicher erster Art vorhanden, die über Flüssigkeitsleitungen mit der Fluidikeinheit verbunden sind, so dass jeweils ein Strömungsweg für Flüssigkeiten aus jedem Flüssigkeitsspeicher in die Fluidikeinheit gebildet ist, ist entsprechend in jedem Strömungsweg ein Rückschlagventil mit einer solchen Orientierung angeordnet.
Damit entsprechend das zweite Rückschlagventil den Durchfluss einer Flüssigkeit in Richtung von dem mindestens einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art hin zur Fluidikeinheit sperrt, ist das zweite Rückschlagventil so im Strömungsweg zwischen der Fluidikeinheit und dem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art angeordnet, dass seine Durchlassrichtung in Richtung des Strömungswegs von der Fluidikeinheit zu dem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art hin weist, während seine Sperrrichtung entsprechend in die Gegenrichtung weist. Sind mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art vorhanden, die über Flüssigkeitsleitungen mit der Fluidikeinheit verbunden sind, so dass jeweils ein Strömungsweg für Flüssigkeiten aus der Fluidikeinheit in jeden der Flüssigkeitsspeicher zweiter Art gebildet ist, ist entsprechend in jedem Strömungsweg ein Rückschlagventil mit einer solchen Orientierung angeordnet.
Das Vorsehen von Rückschlagventilen, die einen Durchfluss von Flüssigkeit durch die erste Flüssigkeitsleitung in Richtung von der Fluidikeinheit zum Flüssigkeitsspeicher erster Art hin bzw. einen Durchfluss von Flüssigkeit durch die zweite Flüssigkeitsleitung in Richtung vom Flüssigkeitsspeicher zweiter Art zur Fluidikeinheit hin sperren, erlaubt eine sehr einfache, effiziente und robuste Steuerung des Flüssigkeitstransports durch die Fluidikeinheit. Zwischen einem Flüssigkeitsspeicher erster Art und der Fluidikeinheit angeordnet verhindert ein in Richtung des Flüssigkeitsspeichers erster Art sperrendes Rückschlagventil zum einen das Zurücklaufen von Flüssigkeit aus der Fluidikeinheit in den Flüssigkeitsspeicher, zum anderen wird aufgrund des erforderlichen Durchbruchdrucks verhindert, dass allein aufgrund des hydrostatischen Drucks der Flüssigkeit im Flüssigkeitsspeicher Flüssigkeit in die Fluidikeinheit gerät. Zwischen der Fluidikeinheit und einem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art angeordnet sorgen die Rückschlagventile dafür, dass keine Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsspeichern zweiter Art zurück in die Fluidikeinheit gelangen kann.
Auf diese Weise kann Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher erster Art in die Fluidikeinheit transportiert werden, indem zwischen dem Flüssigkeitsspeicher erster Art und einem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art eine Druckdifferenz angelegt wird. Diese Druckdifferenz muss hoch genug sein, damit der Durchbruchdruck des Rückschlagventils zwischen dem Flüssigkeitsspeicher erster Art und der Fluidikeinheit überwunden wird. Gleichzeitig wird an alle anderen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art ein Druck angelegt, der gleich dem an dem Flüssigkeitsspeicher erster Art anliegenden Druck ist, so dass zwischen den übrigen Flüssigkeitsspeichern zweiter Art und dem Flüssigkeitsspeicher erster Art keine Druckdifferenz besteht. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit auf einem vorgegebenen Strömungsweg durch die Fluidikeinheit zwischen dem Flüssigkeitsspeicher erster Art und dem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art geführt. Durch die Rückschlagventile ist sichergestellt, dass aus den übrigen Flüssigkeitsspeichern zweiter Art keine Flüssigkeit in die Fluidikeinheit gelangt. Vorzugsweise sperren die Rückschlagventile neben dem Durchfluss von Flüssigkeit gleichzeitig den Durchfluss von Gas, so dass beispielsweise bei Anlegen einer Druckdifferenz zwischen Flüssigkeitsspeichern der ersten und der zweiten Art mittels eines Pneumatiksystems kein Gas, z. B. Druckluft des Pneumatiksystems, aus den Flüssigkeitsspeichern in die Fluidikeinheit gelangen kann.
Somit kann allein durch das Anlegen von Druckdifferenzen zwischen Flüssigkeitsspeichern erster Art und Flüssigkeitsspeichern zweiter Art sehr effizient Flüssigkeit durch die Fluidikeinheit transportiert werden, ohne dass neben den Fluidleitungen aktive Funktionselemente, insbesondere betätigbare Bauteile wie Ventile, innerhalb der Fluidikeinheit erforderlich sind. Die Fluidikeinheit wird damit preisgünstig, robust und, wie weiter unten noch ausführlich dargelegt wird, leicht zu warten bzw. auszutauschen. Da aufgrund der Rückschlagventile keine Gefahr besteht, dass Flüssigkeit oder Gas aus den Flüssigkeitsspeichern unerwünscht in die Fluidikeinheit gelangt, können die Flüssigkeitsspeicher mit einem verhältnismäßig großen Volumen ausgestaltet werden, so dass eine ganze Reihe von Messungen durchgeführt werden kann, bevor ein Austausch oder ein Neubefüllen der Flüssigkeitsspeicher erforderlich wird. Ein derartiges System zur Behandlung von Flüssigkeiten kann aus diesen Gründen sehr vorteilhaft in der Prozesstechnik zur Überwachung eines flüssigen Messmediums, beispielsweise zur Überwachung der Qualität von Trinkwasser oder von lebensmitteltechnischen oder pharmazeutischen Produkten eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jedes Rückschlagventil so ausgelegt, dass zum Öffnen des Rückschlagventils in Durchlassrichtung das Anliegen einer Druckdifferenz erforderlich ist, welche größer oder gleich einem Durchbruchdruck des Rückschlagventils ist, und wobei der Durchbruchdruck des ersten Rückschlagventils, also desjenigen Rückschlagventils, das einen Druchfluss von Flüssigkeit durch die erste Flüssigkeitsleitung in Richtung von der Fluidikeinheit zum Flüssigkeitsspeicher erster Art hin sperrt, vorzugsweise größer ist als der Durchbruchdruck des zweiten Rückschlagventils, also desjenigen Rückschlagventils, das einen Durchfluss von Flüssigkeit durch die zweite Flüssigkeitsleitung in Richtung vom Flüssigkeitsspeicher zweiter Art zur Fluidikeinheit hin sperrt.
Bei den Flüssigkeitsspeichern erster Art wirkt der hydrostatische Druck der Flüssigkeit in Durchlassrichtung auf das Rückschlagventil. Um einen möglichst großen Flüssigkeitsspeicher erster Art zur Verfügung stellen zu können, ist es deshalb vorteilhaft, das Rückschlagventil so auszugestalten, dass ein verhältnismäßig hoher Durchbruchdruck erforderlich ist, um das Rückschlagventil zu öffnen. Bei den Flüssigkeitsspeichern zweiter Art wirkt der hydrostatische Druck der Flüssigkeit in Sperrrichtung des Rückschlagventils. Somit ist es ausreichend, einen geringeren Durchbruchdruck vorzusehen. Je geringer der Durchbruchdruck der Rückschlagventile, die einen Durchfluss von Flüssigkeit oder Gas von den Flüssigkeitsspeichern zweiter Art zurück in die Fluidikeinheit sperren, umso geringer muss die Druckdifferenz gewählt werden, die zwischen einem Flüssigkeitsspeicher erster Art und einem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art angelegt werden muss, um Flüssigkeit über einen Strömungsweg zwischen den beiden Flüssigkeitsspeichern durch die Fluidikeinheit zu transportieren. Entsprechend gering ist die Druckbelastung der Flüssigkeitsleitungen, die diesen Strömungsweg bilden, was zu einer längeren Lebensdauer und besseren Dichtigkeit des Systems, insbesondere der Fluidikeinheit, führt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das System einzelne austauschbare Module, wobei ein erstes austauschbares Modul die Fluidikeinheit, mindestens eine Flüssigkeitszuleitung zu der Fluidikeinheit und mindestens eine Flüssigkeitsableitung von der Fluidikeinheit aufweist, und wobei ein zweites austauschbares Modul den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art und eine Schnittstelle zum Anschließen des mindestens einen Flüssigkeitsspeichers erster Art an die mindestens eine Flüssigkeitszuleitung zu der Fluidikeinheit umfasst. Diese Schnittstelle wird im Folgenden auch kurz als Fluidik-Schnittstelle bezeichnet. In einer speziellen Ausgestaltung kann das zweite Modul zusätzlich den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art umfassen. Insbesondere kann das zweite Modul mehrere Flüssigkeitsspeicher erster Art und mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art umfassen. Entsprechend dient die Fluidik-Schnittstelle dann zum Anschließen aller vorhandenen Flüssigkeitsspeicher erster und zweiter Art an zugehörige Flüssigkeitsleitungen, die die Flüssigkeitsspeicher mit der Fluidikeinheit verbinden. Die an die Flüssigkeitsspeicher erster Art anschließbaren Flüssigkeitsleitungen dienen als Flüssigkeitszuleitungen zur Fluidikeinheit, während die an die Flüssigkeitsspeicher zweiter Art anschließbaren Flüssigkeitsleitungen als Flüssigkeitsableitungen aus der Fluidikeinheit dienen.
Das zweite austauschbare Modul kann seinerseits aus mehreren austauschbaren Einzelmodulen, z. B. aus einzelnen Flüssigkeitskartuschen, die jeweils einen Flüssigkeitsspeicher erster Art oder zweiter Art beinhalten, zusammengesetzt sein.
Unter einem austauschbaren Modul ist ein Modul zu verstehen, das über einen oder mehrere Anschlüsse mit einer weiteren Einheit, insbesondere einem weiteren austauschbaren Modul, verbunden und wieder von dieser gelöst werden, und so durch ein gleichartiges Modul ersetzt werden kann. Gleichartige Module weisen gleiche Anschlüsse auf, so dass jedes der gleichartigen Module ohne weitere Modifikationen mit der weiteren Einheit verbunden und wieder von dieser gelöst werden kann. Vorzugsweise besitzen gleichartige Module auch ein Gehäuse mit identischer Geometrie, insbesondere identischen Abmessungen. Damit haben gleichartigen Module den gleichen Raumbedarf, und können so ohne weitere Änderungen des übrigen Analysesystem-Aufbaus gegeneinander ausgetauscht werden. Gleichartige Module können sich jedoch insbesondere in der Anzahl der enthaltenen Flüssigkeitsspeicher, Funktionseinheiten und/oder Fluidleitungen, insbesondere auch in der Ausgestaltung des Verlaufs von Fluidleitungen, beispielsweise der Anzahl der Verzweigungen zwischen Fluidleitungen, und dem Bevorratungsvolumen eines Flüssigkeitsspeichers unterscheiden. Somit können beispielsweise eine ganze Reihe gleichartiger erster Module existieren, die für sehr unterschiedliche Analyseverfahren ausgelegt sind, die jedoch hinsichtlich ihrer Anschlüsse und ihres Raumbedarfs vollkommen übereinstimmen. Damit können verschiedene erste Module an ein und dasselbe zweite Modul angeschlossen und bei Bedarf gegeneinander ausgetauscht werden.
Der beschriebene modulare Aufbau erlaubt es weiterhin, auf sehr einfache Weise das zweite Modul mit den Flüssigkeitsspeichern von dem ersten Modul mit der Fluidikeinheit zu trennen, wenn beispielsweise ein oder mehrere Flüssigkeitsspeicher nach der Durchführung einiger Analysereihen entleert sind. Das zweite Modul kann durch ein neues, vollständig befülltes, gleichartiges Modul ersetzt werden. Dies vereinfacht sehr die Wartung des Analysesystems für eine Bedienperson. Auch für den Hersteller ist ein derartiger modularer Aufbau von großem Vorteil. So können beispielsweise eine Reihe gleichartiger erster Module mit sehr unterschiedlich aufgebauten Fluidikeinheiten und eine Reihe gleichartiger zweiter Module mit unterschiedlicher Anzahl von Flüssigkeitsspeichern für unterschiedliche Reagenzien vorgesehen werden. Auf diese Weise steht dem Hersteller ein „Baukasten” zur Verfügung, der ihm eine Vielzahl von Kombinationen zwischen Fluidikeinheiten und Flüssigkeitsspeichern mit unterschiedlichen Kombinationen von Reagenzien zur Verfügung stellt.
Die Module können beispielsweise als Einweg-Bauteile (englischer Fachbegriff: disposables) ausgestaltet sein, die nach der Verwendung entsorgt werden können. Dies ist insbesondere für Anwendungsfälle in der Biotechnologie vorteilhaft, bei denen eine Aufbereitung der Module durch Reinigung und Sterilisation bzw. durch Reinigung, Sterilisation und Neubefüllung der Module, die Flüssigkeitsspeicher umfassen, viel aufwändiger wäre, als die Kosten, die durch das Entsorgen und Ersetzen der als Einweg-Bauteile ausgestalteten Module entstehen. Als Einweg-Bauteile ausgestaltete Module sind vorzugsweise besonders einfach ausgestaltet und können beispielsweise in Spritzgusstechnik hergestellt sein.
Das zweite Modul kann das erste Rückschlagventil, welches einen Durchfluss von Flüssigkeit und gegebenenfalls Gas durch die erste Flüssigkeitsleitung in Richtung von der Fluidikeinheit zum Flüssigkeitsspeicher erster Art hin sperrt, und das zweite Rückschlagventil, welches einen Durchfluss von Flüssigkeit und gegebenenfalls Gas durch die zweite Flüssigkeitsleitung in Richtung vom Flüssigkeitsspeicher zweiter Art zur Fluidikeinheit hin sperrt, umfassen. Umfasst das zweite Modul mehrere Flüssigkeitsspeicher erster Art und/oder mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art, die über Flüssigkeitsleitungen mit der Fluidikeinheit verbunden sind, ist vorteilhafterweise ein Durchfluss von Flüssigkeit durch die die Flüssigkeitsspeicher erster Art mit der Fluidikeinheit verbindenden Flüssigkeitsleitungen in Richtung von der Fluidikeinheit zu den Flüssigkeitsspeichern erster Art hin mittels erster Rückschlagventile gesperrt, und ein Durchfluss von Flüssigkeit und gegebenenfalls Gas durch die die Flüssigkeitsspeicher zweiter Art mit der Fluidikeinheit verbindenden Flüssigkeitsleitungen in Richtung von den Flüssigkeitsspeichern zweiter Art hin zu der Fluidikeinheit mittels zweiter Rückschlagventile gesperrt. Die ersten Rückschlagventile sind hierzu jeweils im Strömungsweg zwischen einem Flüssigkeitsspeicher erster Art und der Fluidikeinheit angeordnet. Die zweiten Rückschlagventile sind entsprechend jeweils im Strömungsweg zwischen einem Flüssigkeitsspeicher zweiter Art und der Fluidikeinheit angeordnet. Vorteilhafterweise sind alle ersten und zweiten Rückschlagventile Bestandteil des zweiten Moduls. Damit wird erreicht, dass die im ersten Modul angeordnete Fluidikeinheit selbst völlig frei von Ventilen oder sonstigen aktiven Funktionselementen, insbesondere betätigbaren Funktionselementen ausgestaltet werden kann. Dies macht das erste Modul mit der Fluidikeinheit besonders preisgünstig und wenig anfällig für Defekte. Für ein als Einweg-Bauteil (disposable) vorgesehenes erstes Modul ist deshalb eine solche Ausgestaltung besonders günstig.
Das zweite Modul kann weiterhin eine weitere Schnittstelle zum Anschließen jedes Flüssigkeitsspeichers an jeweils eine Pneumatikleitung eines Pneumatiksystems aufweisen. Diese weitere Schnittstelle wird im Folgenden auch kurz als Pneumatik-Schnittstelle bezeichnet. Das Pneumatiksystem dient dazu, die Flüssigkeitsspeicher jeweils mit einem vorgegebenen Druck zu beaufschlagen und so wie weiter oben beschrieben Flüssigkeit innerhalb der Fluidikeinheit zu transportieren. Vorzugsweise ist das Pneumatiksystem derart ausgestaltet, dass der In jeder Pneumatikleitung herrschende Druck individuell einstellbar, insbesondere regelbar, ist. Somit ist es möglich, gezielt vorgegebene Druckdifferenzen stabil an die einzelnen Flüssigkeitsspeicher anzulegen, um die Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitungen zu bzw. von der Fluidikeinheit und auch durch eine komplizierte Kanalstruktur innerhalb der Fluidikeinheit zu transportieren.
Die Schnittstelle zum Anschließen jedes Flüssigkeitsspeichers an jeweils eine Pneumatikleitung kann ein Verschlusselement, beispielsweise ein Diaphragma, eine Membran oder ein Filter umfassen, welches den Flüssigkeitsspeicher, insbesondere gegen das Eindringen oder Entweichen von Mikroorganismen oder das Austreten von Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsspeichern, flüssigkeitsdicht, aber gasdurchlässig abschließt. Das Diaphragma, die Membran oder das Filter kann beispielsweise an einem pneumatikanschlussseitigen Endbereich des Flüssigkeitsspeichers angeordnet sein. Auf diese Weise wird die in einem Flüssigkeitsspeicher enthaltene Flüssigkeit gegenüber der äußeren Umgebung isoliert. Werden die Pneumatikleitungen von der zweiten Schnittstelle gelöst, kann somit keine Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsspeichern nach Außen dringen und die Umgebung kontaminieren. Dies ist insbesondere auch von Bedeutung bei der Analyse von biologischen Proben, bei denen unter Umständen für die Umwelt oder für Bedienpersonen schädliche Mikroorganismen enthalten sein können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems zur Behandlung von Flüssigkeiten ist die Flüssigkeit innerhalb des mindestens einen Flüssigkeitsspeichers erster Art und/oder des mindestens einen Flüssigkeitsspeichers zweiter Art in einem flexiblen, gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Behältnis enthalten, welches an die erste Flüssigkeitsleitung angeschlossen ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen im jeweiligen Flüssigkeitsspeicher enthaltenen Beutel aus einem flexiblen Material, wie zum Beispiel einer Kunststoff-Folie z. B. aus Polyethylen oder Polypropylen, handeln. Bei dieser Ausgestaltung ist ebenfalls der Austritt von Flüssigkeit in die Umwelt beim Austausch der Flüssigkeitsspeicher, d. h. beim Lösen der Pneumatikleitungen von der zweiten Schnittstelle, oder durch Verdunstung verhindert. Zudem kann hierdurch auch die Kontamination der in den Beuteln beinhalteten Flüssigkeit durch von außen eindringende Substanzen oder Mikroorganismen, aber auch der Austritt von gesundheits- oder umweltgefährdenten Substanzen aus den Flüssigkeitsspeichern in die Umgebung sicher vermieden werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Bildung von Gasblasen in der Flüssigkeit durch Vermischung von Gas des Pneumatiksystems mit im Flüssigkeitsspeicher vorliegender Flüssigkeit vermieden wird. Durch den Wegfall von Filter- oder Membranelementen in der zweiten Schnittstelle kann zudem ein schnelleres Ansprechverhalten bewirkt werden, da Druckänderungen in der Pneumatikleitung aufgrund des geringeren Widerstands schneller auf die zu transportierende Flüssigkeit übertragen werden. Darüber hinaus eröffnet diese Ausgestaltung eine größere Wahlfreiheit für das Material der Flüssigkeitsspeicher selbst, da dieser nicht mehr mit der Flüssigkeit in Berührung kommt, so dass es nicht mehr auf seine chemische Beständigkeit oder Biokompatibilität für biologische Proben ankommt. Auch die Wiederaufbereitung eines einen oder mehrere Flüssigkeitsspeicher enthaltenden austauschbaren Moduls ist in dieser Ausgestaltung erleichtert.
Der voranstehend geschilderte modulare Aufbau des Systems zur Behandlung von Flüssigkeiten erlaubt eine sehr einfache Wartung, indem bei Wartungsbedarf, zum Beispiel wenn ein oder mehrere Flüssigkeitsspeicher erster Art vollständig entleert ist/sind oder wenn ein oder mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art komplett gefüllt ist/sind, eine Bedienperson lediglich das zweite Modul von der Pneumatikleitung über die zweite Schnittstelle löst. Dabei bleibt vorzugsweise das zweite Modul mit dem ersten Modul fest verbunden. Beim Lösen der zweiten Schnittstelle kann keine Flüssigkeit oder Mikroorganismen aus den Flüssigkeitsbehältern in die Umgebung austreten. Das Entfernen des zweiten und ersten Moduls von der Pneumatikeinheit ist somit für die Bedienperson völlig gefahrlos.
Vorteilhafterweise sind das erste und zweite Modul in einem gemeinsamen Gehäuse, beispielsweise in Form einer Kassette untergebracht, die neben einer Pneumatik-Schnittstelle nur noch einen weiteren Anschluss für die Zuleitung einer Probe aus einer Probenvorlage in einen Flüssigkeitsspeicher der Kassette aufweist. Diese Kassette kann nach Art einer Druckerpatrone eines herkömmlichen Tintenstrahldruckers durch das Trennen der Pneumatik-Schnittstelle und des Proben-Anschlusses von der Bedienperson einfach entfernt und durch eine neue gleichartige, insbesondere baugleiche, Kassette ersetzt werden, deren Flüssigkeitsspeicher erster Art gefüllt und deren Flüssigkeitsspeicher zweiter Art entleert sind. Die benutzte Kassette kann entweder als Einweg-Bauteil (disposable) entsorgt oder aufbereitet werden, indem das erste Modul mit der fluidischen Einheit gereinigt und die Flüssigkeitsspeicher im zweiten Modul erneut befüllt bzw. von zu entsorgender Flüssigkeit entleert werden. Die Aufbereitung einer benutzten Kassette muss nicht von der Bedienperson des Analysesystems durchgeführt werden. Sie kann durch geschultes Personal, insbesondere auch durch den Hersteller, erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das System mindestens einen Strömungsweg zum Transport von Flüssigkeit aus einem oder mehreren Flüssigkeitsspeichern erster Art durch die Fluidikeinheit in einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art auf, wobei das System eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines Durchflusses, insbesondere eines Masse- oder Volumendurchflusses, der Flüssigkeit durch den Strömungsweg umfasst. An geeigneten Punkten des Strömungsweges können hierzu Durchflusssensoren vorgesehen sein. Das System kann außerdem weitere Sensoren umfassen, beispielsweise Temperatursensoren, die im Bereich der Fluidikeinheit oder der Flüssigkeitsspeicher angeordnet sein können.
Das System kann weiterhin eine Steuereinheit aufweisen, welche dazu ausgestaltet ist, anhand mindestens eines von der Messeinrichtung zur Verfügung gestellten Messwerts den Druck in mindestens einer der an die Flüssigkeitsspeicher erster und zweiter Art angeschlossenen Pneumatikleitungen eines Pneumatiksystems zu regeln. Bei der Steuereinheit handelt es sich beispielsweise um eine elektronische Datenverarbeitungseinheit, z. B. eine speicherprogrammierbare Steuerung mit einem Prozessor und Datenspeicher. Während die Flüssigkeitsspeicher und die Fluidikeinheit wie oben beschrieben als austauschbare Module ausgestaltet sein können, sind die Steuereinheit und das Pneumatiksystem vorzugsweise feste Bestandteile des Systems und können beispielsweise in einer Gehäusestruktur, in die die austauschbaren Module einsetzbar sind, fest integriert sein. Die Steuereinheit kann weiterhin zur Auswertung von Daten anderer Sensoren des Systems und zur Anzeige von Informationen und Messwerten ausgestaltet sein.
Um sukzessives Durchleiten verschiedener Flüssigkeiten durch eine Funktionseinheit oder ein Mischen von zwei Flüssigkeiten in der Fluidikeinheit durchzuführen, kann die Fluidikeinheit beispielsweise einen ersten mit einem ersten Flüssigkeitsspeicher erster Art verbundenen ersten Flüssigkeitsleitungsabschnitt und einen zweiten mit einem zweiten Flüssigkeitsspeicher erster Art verbundenen zweiten Flüssigkeitsleitungsabschnitt aufweisen, wobei sich der erste und der zweite Flüssigkeitsleitungsabschnitt an einem ersten Punkt zu einem dritten Flüssigkeitsleitungsabschnitt vereinen, welcher sich an einem von dem ersten Punkt entfernten zweiten Punkt in einen vierten und einen fünften Flüssigkeitsleitungsabschnitt verzweigt, wobei mindestens der vierte Flüssigkeitsleitungsabschnitt in eine Funktionseinheit mündet, und wobei von der Funktionseinheit mindestens ein sechster Flüssigkeitsleitungsabschnitt wegführt, welcher mit einem ersten Flüssigkeitsspeicher zweiter Art verbunden ist, und wobei der fünfte Flüssigkeitsleitungsabschnitt mit einem zweiten Flüssigkeitsspeicher zweiter Art verbunden ist.
Dies ist eine Grundstruktur, die immer dann zum Einsatz kommen kann, wenn zwei Flüssigkeiten aus zwei getrennten Flüssigkeitsspeichern erster Art zu vermischen oder nacheinander in eine Funktionseinheit zu überführen sind. Selbstverständlich kann die Fluidikeinheit erheblich mehr Flüssigkeitsleitungen und Flüssigkeitsleitungsabschnitte umfassen, beispielsweise um weitere Reagenzien zuzumischen oder um weitere Flüssigkeiten durch die Fluidikeinheit zu leiten, z. B. zu Reinigungs- oder Regenerationszwecken. Außerdem können weitere Funktionseinheiten vorgesehen sein, beispielsweise um verschiedene Analyte innerhalb ein und derselben Probe nachzuweisen, oder um eine Probe einer mehrstufigen Behandlung auszusetzen.
Die Fluidikeinheit kann als Mikrofluidikeinheit ausgestaltet sein, um bei jeder analytischen Bestimmung möglichst wenig Reagenzien-Volumen einsetzen zu müssen. Die Mikrofluidikeinheit, die beispielsweise als Mikrofluidik-Chip ausgestaltet sein kann, umfasst in diesem Fall mindestens eine Funktionseinheit und mindestens einen zu der Funktionseinheit führenden mikrofluidischen Kanal oder Mikrokanal als Flüssigkeitszuleitung und mindestens einen von der Funktionseinheit wegführenden mikrofluidischen Kanal oder Mikrokanal als Flüssigkeitsableitung.
Vorzugsweise umfasst die Fluidikeinheit des Systems nur passive Mittel zur Kontrolle des Flüssigkeitsstroms, wie beispielsweise die voranstehend beschriebenen sich verzweigenden oder zusammengeführten Kanäle bzw. Kanalabschnitte. Insbesondere enthält das erste Modul, das die Fluidikeinheit umfasst, keinerlei Ventile oder andere betätigbare Funktionselemente. Auf diese Weise wird zum einen ein sehr einfacher und damit wenig defektanfälliger Flüssigkeitstransport innerhalb der Fluidikeinheit gewährleistet. Zum anderen kann damit das Modul, das die Fluidikeinheit enthält preisgünstig, insbesondere als Einweg-Bauteil, hergestellt werden. Bei einer Aufbereitung der voranstehend beschriebenen Kassette kann es dann wirtschaftlich sinnvoll sein, das die Fluidikeinheit umfassende erste Modul nicht wie beschrieben aufzubereiten, sondern nach Verwendung zu entsorgen.
Das erste und/oder das zweite Modul können eine Temperiervorrichtung, insbesondere ein regelbares thermoelektrisches Element, beispielsweise ein Peltierelement, oder ein regelbares Heizelement und einen Temperatursensor umfassen. Die Temperiervorrichtung kann dazu verwendet werden, die Reagenzien und die Flüssigkeitsprobe bei einer konstanten Temperatur zu halten. Dies kann anhand der vom Temperatursensor gelieferten Messwerte durch die Steuereinheit des Systems gewährleistet werden. Temperiervorrichtungen können auch gezielt beispielsweise im Bereich einer Funktionseinheit der Fluidikeinheit angeordnet sein, um lokal eine bestimmte Temperatur einzustellen. Beispielsweise ist es möglich, in einer Funktionseinheit eine chemische Reaktion durchzuführen, die durch Erhöhung der Reaktionstemperatur beschleunigt werden kann. In diesem Fall kann im Bereich der Funktionseinheit ein Heizelement angeordnet sein, das lokal die Temperatur der in der Funktionseinheit vorliegenden Reaktionsmischung zu erhöhen.
Das System zur Behandlung von Flüssigkeiten kann weiterhin eine Signalerfassungs- und/oder eine Signalerzeugungseinrichtung umfassen, die dazu ausgestaltet ist, eine Eigenschaft, insbesondere eine optische oder magnetische Eigenschaft, eines in der mindestens einen Funktionseinheit der Fluidikeinheit vorliegenden Analyten oder eines Reaktionsproduktes des Analyten zu erfassen. Die Signalerfassungseinrichtung kann beispielsweise eine optische Vorrichtung mit einer Strahlungsquelle, insbesondere einer LED, und einem Fotodetektor, insbesondere einer Fotodiode sein, um Absorptions- oder Fluoreszenzeigenschaften des Analyten oder des Reaktionsproduktes zu erfassen und daraus quantitative Aussagen über die Konzentration des Analyten in der Probeflüssigkeit zu gewinnen. Das erste Modul kann insbesondere einen für von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung transparenten Strahlungsweg aufweisen, wobei der Strahlungsweg zumindest einen Teil der Funktionseinheit durchläuft, um eine optische Eigenschaft des Analyten oder eines Reaktionsprodukts des Analyten zu erfassen.
Die Erfindung wird nun im Detail anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Behandlung von Flüssigkeiten;
2 das System aus 1 während eines ersten Behandlungsschritts;
3 das System aus 1 während eines zweiten Behandlungsschritts;
4 das System aus 1 während eines dritten Behandlungsschritts;
5 das System aus 1 während eines vierten Behandlungsschritts;
6a) ein Ausgestaltung der Pneumatikschnittstelle und der Flüssigkeitsspeicher im getrennten Zustand;
b) die Pneumatik-Schnittstelle der 6a) im verbundenen Zustand;
7 eine lösbar über die Pneumatikschnittstelle mit der Pneumatikeinrichtung zu verbindende Kassette, welche Flüssigkeitsspeicher und eine Fluidikeinheit umfasst;
8a) ein pneumatisch betätigbares Ventil im geschlossenen Zustand;
b) ein pneumatisch betätigbares Ventil im offenen Zustand;
9a) einen Flüssigkeitsspeicher mit einem darin angeordneten flexiblen Flüssigkeitsbehälter in einer ersten Ausgestaltung im befüllten Zustand;
b) einen Flüssigkeitsspeicher mit einem darin angeordneten flexiblen Flüssigkeitsbehälter in einer zweiten Ausgestaltung im befüllten Zustand;
c) einen Flüssigkeitsspeicher mit einem dann angeordneten flexiblen Flüssigkeitsbehälter in der zweiten Ausgestaltung im nahezu entleerten Zustand.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 1 zur Behandlung von Flüssigkeiten, das beispielsweise in einem Analysesystem verwendet werden kann. Das System 1 umfasst im in 1 gezeigten Beispiel vier Flüssigkeitskartuschen, nämlich eine erste Vorratskartusche 100 und eine zweite Vorratskartusche 200, sowie eine erste Abfallkartusche 300 und eine zweite Abfallkartusche 400. Die beiden Vorratskartuschen 100, 200 enthalten Vorratsspeicher 130 und 230, die als Flüssigkeitsspeicher erster Art dienen. Die beiden Abfallkartuschen 300 und 400 enthalten Abfallspeicher 330 und 430, welche als Flüssigkeitsspeicher zweiter Art dienen. Weiterhin umfasst das System 1 eine Fluidikeinheit 500 und Flüssigkeitszuleitungen 160 und 260, die die Vorratsspeicher 130 und 230 mit der Fluidikeinheit 500 verbinden, sowie Flüssigkeitsableitungen 360 und 460, die die Fluidikeinheit 500 mit den Abfallspeichern 330 und 430 verbinden. Die Vorratsspeicher 130, 230 enthalten Flüssigkeiten 170, 270, die über die an die Vorratsspeicher 130, 230 angeschlossenen Flüssigkeitszuleitungen 160, 260 in die Fluidikeinheit 500 geleitet werden können. Die beiden Abfallspeicher 330 und 430 sind dazu ausgestaltet, die verbrauchten Flüssigkeiten 170, 270 und Gemische dieser Flüssigkeiten 170, 270, die ihnen aus der Fluidikeinheit 500 über die Flüssigkeitsableitungen 360, 460 zugeleitet werden, aufzunehmen. Die Vorratskartuschen 100, 200 und die Abfallkartuschen 300, 400 können fest miteinander verbunden, und gegebenenfalls von einem Gehäuse umgeben sein, so dass sie ein zusammenhängendes Modul 2 bilden.
Die Vorratskartuschen 100, 200 und die Abfallkartuschen 300, 400 weisen Anschlüsse 110, 210, 310, 410 zum Anschluss des jeweiligen in der Flüssigkeitskartusche enthaltenen Flüssigkeitsspeichers 130, 230, 330, 430 an eine Pneumatikleitung eines Pneumatiksystems (nicht in 1 dargestellt) auf. Die Anschlüsse 110, 210, 310 und 410 bilden so eine Pneumatik-Schnittstelle des Systems 1.
Die Vorratsspeicher 130 und 230 in den Vorratskartuschen 100 und 200 sind beispielsweise als Bohrungen innerhalb der Kartuschen ausgebildet. Die Vorratsspeicher 130, 230 können beispielsweise Reagenzien, Regenerierungsflüssigkeit zur Regenerierung z. B. von Funktionseinheiten der Fluidikeinheit 500 oder Reinigungsflüssigkeit zur Reinigung der Fluidikeinheit 500 aufnehmen. Ein Vorratsspeicher kann auch als Zwischenspeicher für die zu analysierende Probe dienen, die zunächst, vorzugsweise automatisiert, beispielsweise mittels einer Schlauchpumpe oder einer Spritzenpumpe oder mittels einer pneumatischen Probennahmevorrichtung mit pneumatischem Probentransport, aus einem Prozessgefäß, beispielsweise einer Rohrleitung einer Prozessanlage, entnommen, und danach in den Vorratsspeicher eingefüllt wird.
Die Vorratskartuschen 100 und 200 umfassen jeweils einen Anschluss 140, 240 zum Anschließen der Vorratsspeicher 130, 230 an das Fluidiksystem 500. Die Anschlüsse 140, 240 können jeweils an eine Flüssigkeitszuleitung 160, 260 des Fluidiksystems 500 angekoppelt werden, so dass eine fluidische Verbindung zwischen den Vorratsspeichern 130, 230 und der Fluidikeinheit 500 gebildet wird. Entsprechend umfassen die Abfallkartuschen 300 und 400 jeweils einen Anschluss 340, 440 zum Anschließen der Abfallspeicher 340, 440 an das Fluidiksystem 500. Die Anschlüsse 340, 440 können jeweils an eine Flüssigkeitsableitung 360, 460 des Fluidiksystems 500 angekoppelt werden, so dass eine fluidische Verbindung zwischen der Fluidikeinheit und dem Abfallspeicher 330, 430 gebildet wird. Auf diese Weise sind die Vorratsspeicher 130, 230 und die Abfallspeicher 330, 430 fluidisch verbunden, unter Bildung jeweils mindestens eines durch die Fluidikeinheit 500 führenden Strömungswegs von einem Vorratsspeicher zu einem Abfallspeicher. Unter einer fluidischen Verbindung wird hier und im Folgenden eine strukturelle Verbindung zwischen zwei Komponenten, z. B. hier zwischen einem Flüssigkeitsspeicher und dem Fluidiksystem 500, insbesondere den im Fluidiksystem 500 vorhandenen Flüssigkeitsleitungen und Funktionselementen, verstanden, über die ein Fluid, vorzugsweise eine Flüssigkeit, von der ersten zur zweiten Komponente übertragen werden kann. Insbesondere ist nicht ausgeschlossen, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und der zweiten Komponente, die in fluidischer Verbindung stehen, angeordnet sind. Eine fluidische Verbindung ist weiterhin insbesondere derart abgedichtet, dass eine verlustfreie Übertragung des Fluids zwischen der ersten und der zweiten Komponente möglich ist.
Im Bereich der Anschlüsse 140, 240 der Vorratsspeicher 130, 230 ist, insbesondere als Bestandteil des durch die Kartuschen 100, 200, 300 und 400 gebildeten Moduls 2 mit den Flüssigkeitsspeichern 130, 230, 330, 430, jeweils ein in Richtung von der fluidischen Einheit 500 hin zum ersten Vorratsspeicher 130 bzw. zum zweiten Vorratsspeicher 230 sperrendes erstes Rückschlagventil 150 bzw. zweites Rückschlagventil 250 angeordnet. Diese sperren somit einen Durchfluss von Flüssigkeit und gegebenenfalls Gas von der Fluidikeinheit 500 zurück in die Vorratsspeicher 130, 230. Das erste Rückschlagventil 150 und das zweite Rückschlagventil 250 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie erst ab einem gewissen Mindestdruck, dem sogenannten Durchbruchdruck oder Ansprechdruck, Flüssigkeit in Durchlassrichtung, also von den Vorratsspeichern 130, 230 hin zur Fluidikeinheit 500, passieren lassen. Dabei ist der Ansprechdruck so angepasst, dass der auf die Rückschlagventile 150, 250 wirkende hydrostatische Druck der Reagenzien 170, 270 in den Vorratsspeichern 130, 230 im komplett befüllten Zustand allein nicht ausreicht, um den Ansprechdruck zu überwinden.
Im Bereich der Anschlüsse 340 und 440 der Abfallspeicher 330, 430, insbesondere als Bestandteil des Moduls 2, ist jeweils ein drittes Rückschlagventil 350 bzw. ein viertes Rückschlagventil 450 angeordnet, das in Richtung von den Abfallspeichern 330 und 430 zur Fluidikeinheit 500 hin sperrt. Die Rückschlagventile 330, 430 sperren somit einen Durchfluss von Flüssigkeit und gegebenenfalls Gas aus den Abfallspeichern 330, 430 zurück in die Flüssigkeitsableitungen 360, 460 und somit in die Fluidikeinheit 500. Die Rückschlagventile 350 und 450 sind so ausgelegt, dass ein gewisser Ansprechdruck erforderlich ist, um das Passieren von Flüssigkeit in Durchlassrichtung zu erlauben. Der Ansprechdruck des dritten Rückschlagventil 350 bzw. des vierten Rückschlagventils 450 kann dabei etwas geringer gewählt werden als der Ansprechdruck des ersten Rückschlagventils 150 bzw. des zweiten Rückschlagventils 250.
Durch die Anschlüsse 140, 240, 340 und 440 aller Flüssigkeitsspeicher, d. h. der Vorratsspeicher 130, 230 und der Abfallspeicher 330, 430 wird eine Schnittstelle des Kartuschen-Moduls 2 zum Anschluss der Fluidikeinheit 500, an die Flüssigkeitsspeicher gebildet, die auch als Fluidik-Schnittstelle bezeichnet wird.
Alle Vorratskartuschen 100, 200 und alle Abfallkartuschen 300, 400 weisen zwischen ihrem Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 und dem zugehörigen Anschluss 110, 210, 310 und 410 zum Anschließen des pneumatischen Systems ein Verschlusselement 120, 220, 320 und 420 auf, das zwar gasdurchlässig, aber undurchlässig für Flüssigkeiten ist, beispielsweise ein Diaphragma, eine Membran oder einen Filter. Auf diese Weise wird verhindert, dass Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsspeichern 130, 230, 330 und 430 austritt und in die Pneumatikleitungen, oder, falls keine Pneumatikleitungen an der Pneumatikschnittstelle der Kartuschen angeschlossen sind, in die Umgebung gelangt. Für biochemische oder sterile Anwendungen des Systems 1 kann es sinnvoll sein, die gasdurchlässigen Verschlüsse 120, 220, 320 und 420 so auszugestalten, dass keine Mikroorganismen in die Flüssigkeitsspeicher eindringen können bzw. dass keine Mikroorganismen aus den Flüssigkeitsspeichern austreten können.
Innerhalb der Vorratsspeicher 130, 230 und den Abfallspeichern 330, 430 vorliegende Flüssigkeit kann in einem flexiblen, gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Behältnis enthalten sein, welches an die jeweiligen Flüssigkeitsleitungen 160, 260, 360, 460 angeschlossen ist, die Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 mit der Fluidikeinheit 500 verbinden. Dabei kann es sich beispielsweise um einen im jeweiligen Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 enthaltenen Beutel aus einem flexiblen Material, wie zum Beispiel einer Kunststoff- Folie, handeln. Dies wird weiter unten im Zusammenhang mit 9 noch detaillierter beschrieben.
Ein Vorratsspeicher, der als Zwischenspeicher für die Probenflüssigkeit dient, weist einen zusätzlichen Anschluss zur Zuführung von Probenflüssigkeit auf (nicht dargestellt). Entsprechend weist dann auch das innerhalb des Flüssigkeitsspeichers angeordnete flexible Behältnis einen Anschluss zum Einführen der Probe auf. Diese Anschlüsse können mittels eines Ventils, z. B. eines Rückschlagventils, zur Umgebung hin verschlossen sein, so dass beim Entfernen des Moduls 2, das die als Zwischenspeicher für die Probe dienende Flüssigkeitskartusche umfasst, auch keine Probenflüssigkeit austritt.
Die Fluidikeinheit 500 umfasst eine Behandlungskartusche, in der Flüssigkeiten sukzessive durchgeleitet, gemischt, chemisch umgesetzt, temperiert, analysiert oder in einer sonstigen Weise behandelt werden können. Wenn es sich bei dem System 1 um ein Mikrofluidik-System handelt, ist die Behandlungskartusche als Mikrofluidik-Einheit, insbesondere als Mikrofluidik-Chip, ausgestaltet. Die Behandlungskartusche weist eine Reihe von Flüssigkeitsleitungen 521, 522, 523, 524, 525 auf, die über Anschlüsse 511, 512, 513, 514 fluidisch mit den von den Vorratskartuschen 100, 200 kommenden Flüssigkeitszuleitungen 160, 260 und den zu den Abfallkartuschen 300, 400 führenden Flüssigkeitsableitungen 360, 460 verbunden sind. Die Behandlungskartusche kann beispielsweise aus einem Substrat, dessen Oberfläche die Flüssigkeitsleitungen bildende Kanäle aufweist, und einer auf dieser Oberfläche aufliegenden Deckplatte gebildet sein. Als Material für die Behandlungskartusche kommt beispielsweise Silizium, Kunststoff oder Glas in Frage. Wenn die Behandlungskartusche als Mikrofluidik-Chip ausgestaltet ist, sind die Flüssigkeitsleitungen 521, 522, 523, 524, 525 als kapillare Kanäle in einem Siliziumsubstrat ausgestaltet. Zur Herstellung eines solchen Mikrofluidik-Chips können aus dem Stand der Technik bekannte Materialien und Herstellungsverfahren, insbesondere aus dem Gebiet der „lab an a chip”-Technologie, verwendet werden. In einer alternativen Ausgestaltung kann auf die Flüssigkeitszuleitungen 160, 260 und die Flüssigkeitsableitungen 360, 460 verzichtet werden, indem die Anschlüsse der Behandlungskartusche unmittelbar mit den Fluidik-Anschlüssen 140, 240, 340, 440 der Flüssigkeitskartuschen 100, 200, 300, 400 verbunden werden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Anschlüsse der Behandlungskartusche und die Fluidikanschlüsse 140, 240, 340, 440 der Flüssigkeitskartuschen 100, 200, 300, 400 Rastmittel aufweisen, die zur Herstellung einer fluidischen Verbindung dichtend miteinander in Eingriff gebracht werden können.
Im Beispiel der 1 sind die Flüssigkeitskartuschen in einem einzigen austauschbaren Modul 2 untergebracht, das beispielsweise als Kassette ausgestaltet ist. Die Fluidik-Anschlüsse 140, 240, 340, 440 des Moduls 2 können mit Rastmitteln ausgestattet sein, die mit Rastmitteln von Anschlüssen eines beispielsweise ebenfalls als Kassette ausgestalteten Moduls 3, das die Fluidikeinheit 500 und die Flüssigkeitsleitungen 160, 260, 360 und 460 umfasst, durch in Eingriff bringen der Rastmittel flüssigkeitsdicht verbunden werden kann. Vorzugsweise umfasst das austauschbare Modul 2 Führungsmittel, die mit komplementären Führungsmitteln des austauschbaren Moduls 3 derart zusammenwirken, dass das Modul 3 nur in einer vorgegebenen Orientierung bezüglich des austauschbaren Moduls 2 mit diesem verbunden werden kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Vorratsspeicher 130, 230 und die Abfallspeicher 330, 430 an die jeweils für sie vorgesehenen Flüssigkeitsleitungen 160, 260, 360, 460 der Fluidikeinheit 500 verbunden werden.
Im hier gezeigten Beispiel weist die Fluidikeinheit 500 ein System von Flüssigkeitsleitungen 521, 522, 523, 524, 525 auf, das dazu geeignet ist, zwei Flüssigkeiten 170, 270 aus den beiden Vorratsspeichern 130, 230 nacheinander der Funktionseinheit 530 zuzuführen, um dort beispielsweise eine photometrische Messung durchzuführen. Hierzu weist sie eine über ihren Anschluss 512 mit dem ersten Vorratsspeicher 130 verbundene erste Flüssigkeitsleitung 522 und eine mit dem zweiten Vorratsspeicher 230 über den Anschluss 511 verbundene zweite Flüssigkeitsleitung 521 auf, wobei sich die erste und die zweite Flüssigkeitsleitung 521, 522 an einem ersten Punkt zu einer dritten Flüssigkeitsleitung 523 vereinen, welche sich an einem von dem ersten Punkt entfernten zweiten Punkt in eine vierte Flüssigkeitsleitung 524 und eine fünfte Flüssigkeitsleitung 525 verzweigt. Die vierte Flüssigkeitsleitung 524 mündet in die Funktionseinheit 530, während die fünfte Flüssigkeitsleitung 525 zum zweiten Abfallspeicher 430 führt, mit dem sie über den Anschluss 514 verbunden ist. Von der Funktionseinheit 530 führt eine sechste Flüssigkeitsleitung 526 weg, welche mit dem ersten Abfallspeicher 330 über den Anschluss 513 fluidisch verbunden ist.
Im vorliegenden Beispiel ist die Funktionseinheit 530 durch eine Kammer mit kreisförmiger Grundfläche gebildet, die einen durch den Kanalabschnitt 523 gebildeten Zulauf und einen durch die Flüssigkeitsleitung 524 gebildeten Ablauf aufweist. Die Funktionseinheit kann in einem anderen Beispiel auch als Mäander oder in anderer, aus der „lab on a chip”-Technologie bekannter, Weise ausgestaltet sein. Auf der Grundfläche der Funktionseinheit 530 kann beispielsweise eine Schicht von biochemischen Rezeptoren aufgebracht sein, an die ein zu detektierendes Biomolekül spezifisch bindet. Eine Flüssigkeitsprobe, die den zu bestimmenden Analyten enthält, kann, beispielsweise von einem der Vorratsspeicher 130, 230 aus, über die Flüssigkeitsleitung 523 in die Funktionseinheit 530 eingebracht werden. In der Probe enthaltener Analyt wird dort spezifisch an die auf die Grundfläche der Funktionseinheit 530 aufgebrachten Rezeptoren gebunden. Die Menge der an die Rezeptoren gebundenen Analytmoleküle kann beispielsweise mittels einer optischen Messung bestimmt werden. Zum optischen Nachweis des Analyten weist das System 1 eine optische Signalerfassungseinrichtung 700 auf, die eine Lichtquelle 711, beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED), und einen Empfänger 712, beispielsweise eine Photodiode, umfasst. Dazu ist die Fluidikeinheit 500 mindestens entlang eines von der Lichtquelle 711 durch die Funktionseinheit 530 zum Photodetektor 712 verlaufenden Strahlengangs 713 für die von der Lichtquelle 711 Strahlung transparent. Hierzu kann beispielsweise die Fluidikeinheit 500 aus einem für die Messwellenlänge der Signalerfassungseinrichtung 700 transparenten Material gefertigt sein, oder zumindest Fenster aus solchem Material aufweisen. Alternativ kann die Strahlung der Lichtquelle 711 auch durch optische Fasern an die Funktionseinheit 530 hingeführt und ebenfalls über Lichtleiter von der Funktionseinheit 530 zum Photodetektor 712 geführt werden.
In der sechsten Flüssigkeitsleitung 526 ist ein Sensor 611 angeordnet, bei dem es sich im vorliegenden Beispiel um einen Durchfluss-Messaufnehmer handelt. Der Durchfluss-Messaufnehmer ist mit einer in 1 nicht gezeigten Steuereinheit des Systems 1 verbunden. Anhand eines vom Durchfluss-Messaufnehmer 611 aktuell gelieferten Messwerts kann die Steuereinheit die Pneumatikeinheit steuern, um einen gleichmäßigen Durchfluss durch die Fluidikeinheit 500 zu gewährleisten. Selbstverständlich können auch in einer oder mehreren weiteren Flüssigkeitsleitungen 521, 522, 523, 524 und 525 gleichartige Durchfluss-Messaufnehmer angeordnet sein. Geeignete Durchfluss-Messaufnehmer für derartige mikrofluidische Anwendungen sind beispielsweise in US 2009/0126505 A1 oder in WO 2007/147786 A1 oder US 6,477,901 A beschrieben. Bei den Durchfluss-Messaufnehmern in den beiden letztgenannten Dokumenten handelt es sich um Coriolis-Durchflussmessgeräte in MEMS-Technologie. Bei dem Sensor 611 kann es sich alternativ auch um einen Temperatur- oder Leitfähigkeitssensor handeln. Es können auch innerhalb der Fluidikeinheit 500 mehrere derartige Sensoren 611 vorgesehen sein, um verschiedene Messgrößen der durch die Behandlungskartusche strömenden Flüssigkeiten zu erfassen.
Das System 1 umfasst zusätzlich zu dem Modul 3 mit der Fluidikeinheit 500 und den Flüssigkeitsleitungen 160, 260, 360, 460 und dem Modul 2, das die Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 umfasst, die bereits erwähnte Steuereinheit, die weiterhin zur Auswertung von Daten der optischen Signalerfassungseinheit 700, zur Auswertung von Daten zusätzlicher Sensoren 611, sowie zur Anzeige von Informationen und Analyseergebnissen ausgestaltet ist. Weiterhin umfasst das System 1 das bereits erwähnte Pneumatiksystem, das zum Transport von Flüssigkeiten aus den Vorratsspeichern 130, 230 in die Abfallspeicher 330, 430 durch die Fluidikeinheit 500 dient. Während die Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 und die Fluidikeinheit 500 wie beschrieben in austauschbare Module integriert sein können, sind die Steuereinheit und das Pneumatiksystem vorzugsweise feste Bestandteile des Systems 1 und können beispielsweise in einer Gehäusestruktur, in die die austauschbaren Module 2, 3 einsetzbar sind, fest integriert sein.
Anhand der 2 bis 5 wird nun der Flüssigkeitstransport innerhalb der Behandlungseinheit 501 mit Hilfe der Pneumatik-Einheit beschrieben. Alle Kanäle sind im hier gezeigten Beispiel initial mit Flüssigkeit befüllt.
In einem in 2 dargestellten ersten Schritt wird eine erste Flüssigkeit 170, z. B. eine Flüssigkeitsprobe, aus dem ersten Vorratsspeicher 130 in die Fluidikeinheit 500 eingebracht. Hierzu wird mittels der (nicht dargestellten) Pneumatikeinheit, die über die die Anschlüsse 110, 210, 310 und 410 umfassenden Pneumatik-Schnittstelle mit den Vorratsspeichern 130, 230, 330 und 430 verbunden ist, an den ersten Vorratsspeicher 130 ein erster Druck P1 und an den zweiten Abfallspeicher 430 ein gegenüber dem ersten Druck P1 geringerer Gasdruck P0 angelegt. Auf diese Weise entsteht eine Druckdifferenz P1–P0 zwischen dem ersten Vorratsspeicher 130 und dem zweiten Abfallspeicher 430. Überschreitet die Summe aus dieser Druckdifferenz und dem hydrostatischen Druck des ersten Reagenz 170 im ersten Vorratsspeicher 130 die Summe aus dem Durchbruchdruck des ersten Rückschlagventils 150, dem Durchbruchdruck des vierten Rückschlagventils 450 und dem Widerstand der betroffenen Flüssigkeitsleitungen, wird die erste Flüssigkeit 170 über das erste Rückschlagventil 150 in Durchlassrichtung in die Flüssigkeitszuleitung 160 zur Fluidikeinheit 500 und über den Anschluss 512 in die zweite Flüssigkeitsleitung 522 der Fluidikeinheit 500 geleitet. Das zweite Rückschlagventil 250 sperrt einen Fluidtransport in den zweiten Vorratsspeicher 230, an dem während des in 2 dargestellten Behandlungsschritts ein Druck P0 anliegt, der gleich dem an dem zweiten Abfallspeicher 430 anliegenden Druck P0 ist. An dem ersten Abfallspeicher 330 liegt ein Druck P1 an, der gleich dem an dem ersten Vorratsspeicher P1 anliegenden Druck ist. Damit liegt zwischen dem zweiten Vorratsspeicher 230 und dem zweiten Abfallspeicher 430 keine Druckdifferenz an, so dass der Durchbruchdruck des zweiten Rückschlagventils 250 nicht überwunden wird, und so kein Flüssigkeitstransport zwischen dem zweiten Vorratsspeicher 230 und dem zweiten Abfallspeicher 430 stattfindet. Ein Transport der in die Fluidikeinheit 500 eingeleiteten ersten Flüssigkeit 170 in Richtung des zweiten Vorratsspeichers 230 wird durch das zweite Rückschlagventil 250 unterbunden, das jeglichen Fluidtransport von der Fluidikeinheit 500 hin zum zweiten Vorratsspeicher 230 sperrt. Indem an den ersten Abfallspeicher 330 derselbe Druck P1 angelegt wird, der auch an dem ersten Vorratsspeicher 130 anliegt, wird das erste Reagenz 170 weiter durch die dritte Flüssigkeitsleitung 523 und die vierte Flüssigkeitsleitung 525 über den Anschluss 514, die Flüssigkeitsleitung 460 und das vierte Rückschlagventil 450 in den zweiten Abfallspeicher 430 geleitet.
In 3 ist ein zweiter Verfahrensschritt dargestellt, bei dem mittels der Pneumatikeinheit an den ersten Vorratsspeicher 130 und an den zweiten Abfallspeicher 230 der gleiche Druck P1 angelegt wird, während an den zweiten Vorratsspeicher 230 und den ersten Abfallspeicher 330 jeweils der gleiche Druck P0, der niedriger ist als P1, angelegt wird. Damit ergibt sich zwischen dem ersten Vorratsspeicher 130 und dem zweiten Abfallspeicher 330 eine Druckdifferenz P1–P0, die, falls die Summe der Druckdifferenz P1–P0 und dem von der ersten Flüssigkeit 170 im ersten Vorratsspeicher 130 auf das Rückschlagventil 150 ausgeübten hydrostatischen Drucks größer ist als die Summe aus dem Durchbruchdruck des ersten Rückschlagventils 150, dem Durchbruchdruck des dritten Rückschlagventils 350 und dem Widerstand der Flüssigkeitsleitungen, zu einem Flüssigkeitstransport der ersten Flüssigkeit 170 von dem Vorratsspeicher 130 zum ersten Abfallspeicher 330 führt. Dabei führt der Strömungsweg der ersten Flüssigkeit 170 über das erste Rückschlagventil 150, die Flüssigkeitszuleitung 160, den Anschluss 512, die zweite Flüssigkeitsleitung 522, die dritte Flüssigkeitsleitung 523, die vierte Flüssigkeitsleitung 524, die Funktionseinheit 530, die sechste Flüssigkeitsleitung 526, die Flüssigkeitsableitung 360 in den ersten Abfallspeicher 330. An dem Verzweigungspunkt, an dem sich die dritte Flüssigkeitsleitung 523 in die vierte Flüssigkeitsleitung 524 und die fünfte Flüssigkeitsleitung 525 verzweigt, wird die erste Flüssigkeit 170 in Richtung der Funktionseinheit 530 geleitet, da an der fünften Flüssigkeitsleitung 525 über den zweiten Abfallspeicher 430 ein erhöhter Druck P1 anliegt.
Anhand von 2 und 3 ist somit erkennbar, dass durch entsprechende Wahl des an den Vorratsspeichern 130, 230 und den Abfallspeichern 330, 430 über die Pneumatik-Schnittstelle eingestellten Drücke eine Flüssigkeit an einer Verzweigung innerhalb der Fluidikeinheit 500 den ersten oder den zweiten Verzweigungsweg nehmen kann, ohne dass dazu ein Ventil oder ein betätigbares sonstiges Element in der Fluidikeinheit 500 erforderlich ist.
4 zeigt einen weiteren Verfahrensschritt, bei dem an dem ersten Vorratsspeicher 130 und dem zweiten Abfallspeicher 430 ein erster Druck P0 anliegt, während am zweiten Vorratsspeicher 230 und dem ersten Abfallspeicher 330 ein höherer Druck P1 anliegt. Auf diese Weise ergibt sich eine Druckdifferenz P1–P0 zwischen dem zweiten Vorratsspeicher 230 und dem zweiten Abfallspeicher 430. Ist die Summe aus dieser Druckdifferenz und dem hydrostatischen Druck der in dem zweiten Vorratsspeicher 230 vorliegenden zweiten Flüssigkeit 270 größer als die Summe aus dem Durchbruchdruck des zweiten Rückschlagventils 250, dem des vierten Rückschlagventils 450 und dem Widerstand der Flüssigkeitsleitungen, so kann die zweite Flüssigkeit 270 aus dem zweiten Vorratsspeicher 230 das Rückschlagventil in Richtung der Fluidleitung 260 passieren und über den Anschluss 511 in die Fluidikeinheit 500 gelangen. Zwischen dem ersten Abfallspeicher 330 und dem ersten Vorratsspeicher 130 liegt ebenfalls eine Druckdifferenz P1–P0 an. Ein Rückfluss von Flüssigkeit aus dem ersten Abfallspeicher 330 wird jedoch durch die Sperrwirkung des diesen verschließenden Rückschlagventils 350 verhindert. Auch ein Zurückfließen von Flüssigkeit aus der Fluidikeinheit 500 über die Leitung 160 zum ersten Vorratsspeicher 130 wird mittels des den Durchfluss in diese Richtung sperrenden ersten Rückschlagventils 150 verhindert. Die zweite Flüssigkeit 270 kann auch nicht den Strömungsweg über die vierte Flüssigkeitsleitung 524 in die Funktionseinheit 530 nehmen, da am ersten Abfallspeicher 330 derselbe Druck P1 anliegt wie am zweiten Vorratsspeicher 230.
In 5 ist ein vierter Verfahrensschritt gezeigt. Dabei wird an den zweiten Vorratsspeicher 230 ein Druck P1 angelegt und an den ersten Abfallspeicher 330 ein niedrigerer zweiter Druck P0. Am ersten Vorratsspeicher 130 liegt ebenfalls der niedrigere Druck P0 an, während am vierten Abfallspeicher 430 der höhere Druck P1 anliegt. Aufgrund der Druckdifferenz P1–P0, die zwischen dem zweiten Vorratsspeicher 230 und dem ersten Abfallspeicher 330 besteht, kann die zweite Flüssigkeit 270, sofern die Druckdifferenz P1–P0 zusammen mit dem hydrostatischen Druck der zweiten Flüssigkeit 270 im Vorratsspeicher 230 den Durchbruchdruck des zweiten Rückschlagventils 250, den Durchbruchdruck des dritten Rückschlagventils 350 und den widerstand der Flüssigkeitsleitungen überwindet, vom zweiten Vorratsspeicher 230 in Richtung des ersten Abfallspeichers 330 durch die Fluidikeinheit 500 transportiert werden. Dabei wird die zweite Flüssigkeit 270 über die erste Flüssigkeitsleitung 521 und die dritte Flüssigkeitsleitung 523 in die Funktionseinheit 530 transportiert. An dem Verzweigungspunkt, an dem sich die dritte Flüssigkeitsleitung 523 in die vierte Flüssigkeitsleitung 524 und die fünfte Flüssigkeitsleitung 525 verzweigt, kann die zweite Flüssigkeit 270 nicht in die fünfte Flüssigkeitsleitung 525 abzweigen, da an dem zweiten Abfallspeicher 430 derselbe Druck P1 anliegt wie am zweiten Vorratsspeicher 230.
Die Anschlüsse 110, 210, 310 und 410 zum Anschluss der Flüssigkeitskartuschen 100, 200, 300 und 400 an ein Pneumatiksystem sind im in den 1 bis 5 gezeigten Beispiel Bestandteil der Flüssigkeitskartuschen 100, 200, 300 und 400. Alternativ können die Vorratsspeicher 130, 230 mit den Abfallspeichern 330 und 430 und die zugehörigen Pneumatik-Anschlüsse 110, 210, 310 und 410 in separaten, d. h. voneinander trennbaren, Bauteilen angeordnet sein. In diesem Fall können zum Beispiel alle Flüssigkeitsspeicher in einem gemeinsamen austauschbaren Modul, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, z. B. in Form einer Kassette, zusammengefasst sein, während die Anschlüsse 110, 210, 310, 410 in einem weiteren Modul, insbesondere ebenfalls in einem gemeinsamen Gehäuse, zusammengefasst sind. Die beiden Module können lösbar miteinander über eine oder mehrere Pneumatikschnittstellen verbunden werden, wie in 6 gezeigt. Vorteilhafterweise ist das weitere Modul fest in einer Gehäusestruktur des Systems 1 integriert und permanent mit dem Pneumatiksystem verbunden.
In 6a) ist schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 in einem Flüssigkeitsspeichermodul 800 mit einer Pneumatikschnittstelle, die die Anschlüsse 180, 280, 380, 480 umfasst, zusammengefasst sind. Die an ein nicht in der Figur dargestelltes Pneumatik-System anschließbaren Pneumatik-Anschlüsse 110, 210, 310 und 410 sind in einem Anschlussmodul 801 untergebracht, das über zu den Anschlüssen 180, 280, 380, 480 des Flüssigkeitsspeichermoduls 800 komplementäre Anschlüsse 181, 281, 381, 481 mit dem Flüssigkeitsspeichermodul 800 lösbar verbunden werden kann. Im abgetrennten Zustand wird das Austreten von Flüssigkeit aus den Vorratsspeichern 130, 230, und den Abfallspeichern 330 und 430 in die Umgebung aufgrund der gasdurchlässigen aber flüssigkeitsdichten Verschlusselemente 120, 220, 320 und 420 verhindert. Im verbunden Zustand der beiden Module (6b) kann das System betrieben werden, wie in den 2 bis 5 dargestellt.
Das Flüssigkeitsspeichermodul 800 weist weiterhin Anschlüsse 140, 240, 340, 440 für die Flüssigkeitszuleitungen 160, 260 und die Flüssigkeitsableitungen 360 und 460 auf, die die Vorrats- und Abfallkartuschen mit der Fluidikeinheit 500 verbinden. Die Fluidikeinheit 500 und die Flüssigkeitsleitungen 160, 260, 360 und 460 können auch in einem austauschbaren Modul zusammengefasst ausgestaltet sein (s. Modul 3, 1), insbesondere in einem mit dem Flüssigkeitsspeichermodul 800 lösbar zu verbindenden Gehäuse, z. B. in Form einer Kassette. Dabei ist es vorteilhaft, die Flüssigkeitsleitungen 160, 260, 360 und 460 mit Anschlüssen zu versehen, die so angeordnet sind, dass sie unmittelbar auf die komplementären Fluidik-Anschlüsse 140, 240, 340, 440 des Flüssigkeitsspeichermoduls 800 passen, so dass die beiden Module nur aufeinander aufgesteckt werden müssen, um die Flüssigkeitszuleitungen 160, 260 zur Fluidikeinheit 500 und die Flüssigkeitsableitungen 360 und 460 von der Fluidikeinheit zu den Abfallkartuschen 300, 400 mit den Fluidik-Anschlüssen 140, 240, 340, 440 des Flüssigkeitsspeichermoduls 800 zu verbinden.
In 7 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei sind das zuvor beschriebene Flüssigkeitsspeichermodul 800' mit den Vorratsspeichern 130', 230' und den Abfallspeichern 330', 430', die Fluidikeinheit 500', die Flüssigkeitszuleitungen 160', 260' zwischen den Vorratsspeichern 130', 230' und der Fluidikeinheit 500' und die Flüssigkeitsableitungen 360', 460' zwischen der Fluidikeinheit 500' und den Abfallspeichern 330', 430', in einer gegenüber der Umgebung abgeschlossenen, d. h. von einem dichten Gehäuse umgebenen Gehäuseeinheit, im folgenden als Kassette 900 bezeichnet, zusammengefasst. Die Anschlüsse der Kassette werden durch eine nicht dargestellte Probenzuleitung zu einem der Vorratsspeicher 130', 230' und durch eine Pneumatik-Schnittstelle gebildet, die Pneumatikanschlüsse 180', 280', 380', 480' aufweist, die lösbar mit komplementären Anschlüssen 181', 281', 381', 481' eines weiteren Moduls 801' verbunden werden können, das weitere Anschlüsse 110', 210', 310', 410' zum Anschluss an eine Pneumatik-Einheit umfasst. Damit kann die Kassette 900 als austauschbares Modul eines Systems zur Behandlung von Flüssigkeiten, z. B. eines Analysesystems, gleich einer Druckerpatrone für einen Tintenstrahldrucker als ganzes von der Pneumatikeinheit getrennt und durch eine andere, insbesondere baugleiche, Kassette ersetzt werden. Dies kann insbesondere erfolgen, wenn Wartungsmaßnahmen notwendig sind, z. B. wenn einer der Vorratsspeicher 130' oder 230' vollständig entleert ist oder wenn einer der Abfallspeicher 330' und 430' vollständig befüllt ist und keine weitere Flüssigkeit mehr aufnehmen kann. Eine Bedienperson muss somit nicht die einzelnen Flüssigkeitsspeicher austauschen, sondern braucht lediglich die Kassette 900 an den Schnittstellen 180', 280', 380', 480' zu lösen und somit vom System 1' zu trennen, und durch eine neue, gleichartige, insbesondere baugleiche, Kassette zu ersetzen. Dies hat den Vorteil, dass die Bedienperson wenig Know-how besitzen muss, um das System 1' zu warten. Um sicherzustellen, dass die Kassette 900 in nur einer möglichen Orientierung an die Anschlüsse 181', 81', 381', 481' des weiteren Moduls 801' angeschlossen werden kann, können die beiden Module zueinander komplementäre Führungsmittel aufweisen, die nur bei einer vorgegebenen Orientierung der beiden Module zueinander in Eingriff gelangen, und so das Verbinden der komplementären Anschlüsse ermöglichen. Eine Wiederaufbereitung der Kassette 900, beispielsweise ein erneutes Befüllen der Flüssigkeitsspeicher mit Reagenzien kann beispielsweise beim Hersteller durchgeführt werden.
In den in 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen sind zum Sperren des Durchflusses von Flüssigkeit 170, 270 durch die Flüssigkeitszuleitungen 160, 260 in Richtung von der Fluidikeinheit 500 zu den Vorratsspeichern 130, 230 hin bzw. zum Sperren des Durchflusses von Flüssigkeit 170, 270 durch die Flüssigkeitsableitungen 360, 460 in Richtung von den Abfallspeichern 330, 430 zur Fluidikeinheit 500 hin jeweils Rückschlagventile 150, 250, 350, 450 vorgesehen. Alternativ können statt der Rückschlagventile 150, 250, 350, 450 pneumatisch aktuierte Ventile vorgesehen sein.
Diese können vielfältig ausgestaltet sein. 8a) und b) zeigen als Beispiel ein pneumatisch betätigbares Ventil 151, das in seiner nicht betätigten Ruhestellung geschlossen ist (englischer Fachbegriff: normally closed valve). Das Ventil 151 kann derart zwischen einem Flüssigkeitsspeicher, z. B. einem Vorratsspeicher 130, 230, und einer Flüssigkeitsleitung, z. B. einer Flüssigkeitszuleitung 160, 260 zur Fluidikeinheit 500 angeordnet sein, dass eine erster, dem Flüssigkeitsspeicher zugewandte Schnittstelle 131 mit dem Flüssigkeitsspeicher 130, 230 in fluidischer Verbindung steht und so Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher zur Schnittstelle 131 gelangen kann. Gleichermaßen steht eine zweite, dem Flüssigkeitsspeicher abgewandte Schnittstelle 161 in fluidischer Verbindung mit der Flüssigkeitsleitung, so dass Flüssigkeit von der Schnittstelle 161 in die Flüssigkeitsleitung gelangen kann. Die erste Schnittstelle 131 ist in der in 8a) dargestellten geschlossenen Ruhestellung des Ventils 151 gegenüber der zweiten Schnittstelle 161 durch ein Schließelement 115 flüssigkeitsdicht verschlossen, so dass keine Flüssigkeit aus dem mit der ersten Schnittstelle 131 verbundenen Flüssigkeitsspeicher in die mit der zweiten Schnittstelle 161 verbundene Flüssigkeitsleitung gelangen kann.
Mit dem Schließelement 115 ist ein Stempel 113 verbunden, der in einem in dem Ventilgehäuse gebildeten Hohlraum beweglich derart angeordnet ist, dass er den Hohlraum in einen ersten Ventilraum 112 und einen zweiten Ventilraum 118 unterteilt. Der erste Ventilraum 112 ist mit einer Druckleitung 111 verbunden, über die der erste Ventilraum 112 mit einem Druckmedium, beispielsweise Druckluft, beaufschlagbar ist. Eine Druckbeaufschlagung des ersten Ventilraums 112 bewirkt eine Kraft auf den beweglichen Stempel 113, die zu einer Verschiebung des Stempels 113 in Richtung des zweiten Ventilraums 118 führt. Im zweiten Ventilraum 118 ist eine Rückstellfeder 114 angeordnet, die eine gegen diese Kraft wirkende Rückstellkraft auf den Stempel 113 ausübt. In der in 8a) dargestellten Ruhestellung des Ventils 151 liegt an der Druckleitung 111 Atmosphärendruck an und die Rückstellfeder 114 befindet sich in einem unausgelenkten Ruhezustand.
In 8b) ist das Ventil 151 im geöffneten Zustand gezeigt, in dem an der Druckleitung 111 über ein Druckmedium, z. B. Druckluft, ein Druck angelegt ist, der so bemessen ist, dass die auf den Stempel 113 ausgeübte Kraft die Rückstellkraft der Feder 114 überwindet und so eine Verschiebung des Stempels 113 gegen die Rückstellkraft der Feder 114 bewirkt, wobei die Verschiebungsbewegung des Stempels 113 durch einen Anschlag 117 begrenzt ist. Mit Verschiebung des Stempels 113 in Richtung des zweiten Ventilraums 118 erfolgt gleichzeitig eine Verschiebung des mit dem Stempel 113 verbundenen Schließelements 115, aufgrund derer eine fluidische Verbindung zwischem der ersten Schnittstelle 131 und der zweiten Schnittstelle 161 gebildet wird. Diese Verbindung wird im vorliegenden Beispiel mittels einer Durchgangsbohrung 116 des Schließelements 115 gebildet, die mit Öffnungen der ersten Schnittstelle 131 und der zweiten Schnittstelle 161 fluchtet, wenn der Stempel 113 am Anschlag 117 anliegt. Über diese fluidische Verbindung kann Flüssigkeit aus dem mit der ersten Schnittstelle 131 verbundenen Flüssigkeitsspeicher in die mit der zweiten Schnittstelle 161 verbundene Flüssigkeitsleitung bzw. in umgekehrter Richtung aus der Flüssigkeitsleitung in den Flüssigkeitsspeicher gelangen.
Die Flüssigkeitsspeicher 130, 230, 330, 430 können als Hohlräume, insbesondere als Bohrungen, in den Flüssigkeitskartuschen 100, 200, 300, 400 ausgestaltet sein. Die Flüssigkeiten können dann unmittelbar in den Hohlräumen aufgenommen werden. In einer alternativen Ausgestaltung können innerhalb der Hohlräume flexible Flüssigkeitsbehältnisse zur Aufnahme der Flüssigkeiten angeordnet sein.
9a) zeigt eine Flüssigkeitskartusche 101 mit einem Flüssigkeitsspeicher 132, in dem ein als Beutel 133 ausgestaltetes flexibles Flüssigkeitsbehältnis angeordnet ist. Der Beutel 133 besteht aus einem flexiblen Material, z. B. aus einer Kunststofffolie aus beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen. In dem Beutel 133 ist die Flüssigkeit 171, beispielsweise ein Reagens oder eine aus der Fluidikeinheit abgeführte Abfallflüssigkeit, aufgenommen. Der Beutel steht über einen Anschluss 162 in fluidischer Verbindung mit einer Flüssigkeitsleitung, die entweder eine Flüssigkeitszuleitung 160, 260 zur Fluidikeinheit 500 oder eine Flüssigkeitsableitung 360, 460 von der Fluidikeinheit 500 sein kann. Der Anschluss 162 des Beutels 133 an die Flüssigkeitsleitung kann beispielsweise durch eine Injektionsnadel gebildet werden, die beim Anschluss der Flüssigkeitskartusche 101 über die Fluidikschnittstelle an das die Fluidikeinheit 500 umfassende Modul 3 die Wand des Beutels 133 durchsticht.
Wenn es sich bei dem Flüssigkeitsspeicher 132 um einen Vorratsspeicher handelt, kann durch Beaufschlagung des Flüssigkeitsspeichers 132 mit Druck über den Pneumatikanschluss 110 der Flüssigkeitskartusche 101 der flexible Beutel 133 komprimiert und so Flüssigkeit 171 aus dem Beutel 133 über den Anschluss 162 in die daran angeschlossene Flüssigkeitszuleitung zur Fluidikeinheit überführt werden.
In einer in 9b) dargestellten Variante einer Flüssigkeitskartusche 101' mit einem in dem Flüssigkeitsspeicher 132' angeordneten flexiblen Beutel 133', der eine Flüssigkeit 171' enthält, ist als Druckmedium eine Flüssigkeit 134' enthalten. Der Flüssigkeitsspeicher 132' ist in dieser Variante mittels eines Verschlusselements 102', beispielsweise eines Diaphragmas, einer Membran oder eines Filters, gegenüber dem Pneumatikanschluss 110' verschlossen, so dass beim Trennen der Pneumatikschnittstelle keine Flüssigkeit 134' in die Umgebung austreten kann. Eine Druckbeaufschlagung über den Pneumatikanschluss 110' führt, vermittelt über die Flüssigkeit 134', wie im Beispiel der 9a) zu einer Komprimierung des flexiblen Beutels 133' und die Überführung von Flüssigkeit 171' aus dem Beutel 133' über den Anschluss 162' in die daran angeschlossene Flüssigkeitsleitung. Vorteilhafterweise dient als Druckmedium 134' eine inerte Flüssigkeit mit geringem Dampfdruck und hoher Wärmekapazität, beispielsweise ein Silikonöl. Hierdurch wird ein Flüssigkeitsverlust des Druckmediums 134' durch Verdunstung minimiert und eine gute Temperierbarkeit der Flüssigkeit 171' in den Beuteln gewährleistet.
In 9c) ist die in 9b) dargestellte Flüssigkeitskartusche 101' im nahezu entleerten Zustand dargestellt. In diesem Zustand ist entsprechend der Volumenabnahme der Flüssigkeit 171' im Beutel 133' der Flüssigkeitspegel der als Druckmedium dienenden Flüssigkeit 134' abgesenkt. Somit kann bei der in 9b) und c) gezeigten Ausgestaltung die vorhandene Menge an Flüssigkeit 171' in dem Beutel 133' anhand des Füllstandes der als Druckmedium dienenden Flüssigkeit 134' ermittelt werden. Hierzu kann ein Füllstandssensor innerhalb des Flüssigkeitsspeichers 132' vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10222822 A1 [0005]
US 2009/0126505 A1 [0006, 0068]
EP 1967266 A1 [0006]
US 2009/0053814 A1 [0007]
WO 2007/147786 A1 [0068]
US 6477901 A [0068]

Claims

System (1) zur Behandlung, insbesondere zur Analyse und/oder Synthese, von Flüssigkeiten, umfassend – eine Fluidikeinheit (500) mit mindestens einer Funktionseinheit (530); – mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230); – mindestens einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430); – eine erste Flüssigkeitsleitung (160, 260), welche den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) und die Fluidikeinheit (500) zur Zuleitung von Flüssigkeit (170, 270) aus dem Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) in die Fluidikeinheit (500) verbindet; und – eine zweite Flüssigkeitsleitung (360, 460), welche den Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) und die Fluidikeinheit (500) zur Ableitung von Flüssigkeit (170, 270) aus der Fluidikeinheit (500) in den Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchfluss von Flüssigkeit (170, 270) durch die erste Flüssigkeitsleitung (160, 260) in Richtung von der Fluidikeinheit (500) zum Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) hin mittels eines ersten Ventils (150, 250) mindestens zeitweise gesperrt ist, und dass ein Durchfluss von Flüssigkeit (170, 270) durch die zweite Flüssigkeitsleitung (360, 460) in Richtung vom Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) zur Fluidikeinheit (500) hin mittels eines zweiten Ventils (350, 450) mindestens zeitweise gesperrt ist.
System (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem ersten und/oder bei dem zweiten Ventil um ein Rückschlagventil (150, 250, 350, 450) handelt.
System (1) nach Anspruch 2, wobei das System (1) mindestens einen Strömungsweg zum Transport von Flüssigkeit aus dem mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) in die Fluidikeinheit (500) aufweist, und wobei das erste Rückschlagventil (150, 250) indem Strömungsweg derart angeordnet ist, dass seine Durchlassrichtung in Richtung des Strömungsweges zur Fluidikeinheit (500) hin weist; und wobei das System (1) mindestens einen weiteren Strömungsweg zum Transport von Flüssigkeit aus der Fluidikeinheit (500) in den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) aufweist, und wobei das zweite Rückschlagventil (350, 450) in dem Strömungsweg derart angeordnet ist, dass seine Durchlassrichtung in Richtung des Strömungsweges zum Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (330, 430) hin weist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Fluss von Flüssigkeit durch die erste Flüssigkeitsleitung (160, 260) und/oder die zweite Flüssigkeitsleitung (360, 460) und/oder die Fluidikeinheit (500) pneumatisch erzeugbar ist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei dem ersten und/oder zweiten Ventil um ein pneumatisch aktuiertes Ventil handelt.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das System (1) einzelne austauschbare Module umfasst, wobei ein erstes austauschbares Modul (3) die Fluidikeinheit (500), mindestens eine Flüssigkeitszuleitung (160, 260) zu der Fluidikeinheit (500) und mindestens eine Flüssigkeitsableitung (360, 460) von der Fluidikeinheit (500) aufweist, und wobei ein zweites austauschbares Modul (2) den mindestens einen Flüssigkeitsspeicher erster Art (130, 230) und/oder zweiter Art (330, 430) und eine Schnittstelle zum Anschließen des mindestens einen Flüssigkeitsspeichers erster Art (130, 230) und/oder zweiter Art (330, 430) an die mindestens eine Flüssigkeitszuleitung (160, 260) und/oder Flüssigkeitsableitung (360, 460) umfasst.
System (1) nach Anspruch 6, wobei das zweite Modul (2) das erste und das zweite Rückschlagventil (150, 250, 350, 450) umfasst.
System (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das zweite Modul (2) eine weitere Schnittstelle zum Anschließen jedes Flüssigkeitsspeichers (130, 230, 330, 430) an jeweils eine Pneumatikleitung eines Pneumatiksystems umfasst.
System (1) nach Anspruch 8, wobei das Pneumatiksystem derart ausgestaltet ist, dass ein in jeder Pneumatikleitung herrschender Druck individuell einstellbar, insbesondere regelbar ist, um an alle Flüssigkeitsspeicher erster (110, 210) und zweiter Art (310, 410) einen vorgebbaren Druck anzulegen.
System (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schnittstelle zum Anschließen jedes Flüssigkeitsspeichers (130, 230, 330, 430) an jeweils eine Pneumatikleitung ein Verschlusselement (120, 220, 320, 420), insbesondere ein Diaphragma, eine Membran oder ein Filter umfasst, welches den Flüssigkeitsspeicher (130, 230, 330, 430), insbesondere gegen das Eindringen oder Entweichen von Mikroorganismen oder das Austreten von Flüssigkeit (170, 270) aus den Flüssigkeitsspeichern (130, 230, 330, 430), flüssigkeitsdicht, aber gasdurchlässig, abschließt.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei alle Flüssigkeitsspeicher erster und zweiter Art (110', 210', 310', 410'), die Fluidikeinheit (500'), alle Flüssigkeitszuleitungen (160', 260') von den Flüssigkeitsspeichern erster Art (110', 210', 310', 410') zu der Fluidikeinheit (500'), und alle Flüssigkeitsableitungen (360', 460') von der Fluidikeinheit (500') in einer gegenüber der Umgebung abgeschlossenen, insbesondere von einem flüssigkeits- und gasdichten Gehäuse umgebenen, Kassette (900) zusammengefasst sind, welche eine Schnittstelle zum Anschluss an ein Pneumatiksystem aufweist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Flüssigkeit (170, 270) innerhalb des mindestens einen Flüssigkeitsspeichers erster Art (110, 210) und/oder des mindestens einen Flüssigkeitsspeichers zweiter Art (310, 410) in einem flexiblen, gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Behältnis enthalten ist, welches an die erste Flüssigkeitsleitung (160, 260) angeschlossen ist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das System (1) mindestens einen Strömungsweg zum Transport von Flüssigkeit (170, 270) aus einem oder mehreren Flüssigkeitsspeichern erster Art (110, 210) durch die Fluidikeinheit (500) in einen oder mehrere Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (310, 410) aufweist, wobei das System (1) eine Messeinrichtung (611) zur Bestimmung eines Durchflusses, insbesondere eines Masse- oder Volumendurchflusses, der Flüssigkeit (170, 270) durch den Strömungsweg umfasst.
System (1) nach Anspruch 13, wobei das System (1) weiterhin eine Regeleinheit aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, anhand mindestens eines von der Messeinrichtung (611) zur Verfügung gestellten Messwerts den an die Flüssigkeitsspeicher erster und zweiter Art (110, 210, 310, 410) angelegten Druck zu regeln.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Fluidikeinheit (500) einen mit einem ersten Flüssigkeitsspeicher erster Art (110) verbundenen ersten Flüssigkeitsleitungsabschnitt (522) und einen mit einem zweiten Flüssigkeitsspeicher erster Art (210) verbundenen zweiten Flüssigkeitsleitungsabschnitt (521) aufweist, wobei sich der erste Flüssigkeitsleitungsabschnitt (522) und der zweite Flüssigkeitsleitungsabschnitt (521) an einem ersten Punkt zu einem dritten Flüssigkeitsleitungsabschnitt (523) vereinen, weicher sich an einem von dem ersten Punkt entfernten zweiten Punkt des dritten Flüssigkeitsleitungsabschnitts (523) in einen vierten Flüssigkeitsleitungsabschnitt (524) und einen fünften Flüssigkeitsleitungsabschnitt (525) verzweigt, wobei mindestens der vierte Flüssigkeitsleitungsabschnitt (524) in eine Funktionseinheit (530) mündet, und wobei von der Funktionseinheit (530) mindestens ein sechster Flüssigkeitsleitungsabschnitt (526) wegführt, welcher mit einem ersten Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (310) verbunden ist, und wobei der fünfte Flüssigkeitsleitungsabschnitt (525) mit einem zweiten Flüssigkeitsspeicher zweiter Art (410) verbunden ist.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Fluidikeinheit (500) als Mikrofluidik-Chip ausgestaltet ist, der mindestens eine Funktionseinheit (530) und mindestens einen zu der Funktionseinheit (530) führenden Mikrokanalabschnitt als Flüssigkeitszuleitung und mindestens einen von der Funktionseinheit wegführenden Mikrokanalabschnitt als Flüssigkeitsableitung umfasst.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Fluidikeinheit (500) nur passive Elemente zur Kontrolle des Flüssigkeitsstromes umfasst.
System (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 17, wobei das erste Modul (3) und/oder das zweite Modul (2) eine Temperiervorrichtung, insbesondere ein regelbares thermoelektrisches Element oder ein regelbares Heizelement, umfasst.
System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, weiterhin umfassend ein Signalerfassungs- (712) und/oder eine Signalerzeugungseinrichtung (713), die dazu ausgestaltet ist, eine Eigenschaft, insbesondere eine optische oder magnetische Eigenschaft, eines in der mindestens einen Funktionseinheit (530) der Fluidikeinheit (500) vorliegenden Analyten oder eines Reaktionsproduktes des Analyten zu erfassen.