DE102010041897A1

DE102010041897A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturmessung in zentrifugal-fluidischen Systemen

Info

Publication number: DE102010041897A1
Application number: DE201010041897
Authority: DE
Inventors: Jürgen Burger; Thomas Jäger; Günter Roth; Daniel Mark; Maximilian Focke; André Gross; Anton Lastochkin
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2010-10-03
Filing date: 2010-10-03
Publication date: 2012-04-05
Also published as: WO2012046178A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Messung der Temperatur einer Flüssigkeit in einer Kavität eines zentrifugal-fluidischen Systems. Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur in einer Kavität 2 eines rotierbaren mikrofluidischen Systems 7 umfasst mindestens einen Sensor 3, ein mindestens teilweise auf dem rotierbaren mikrofluidischen System 7 angeordnetes Mittel zur drahtlosen Übertragung eines mit dem Messsignal korrespondierenden Signals, sowie optional ein Mittel zur berührungslosen induktiven Energieeinkopplung in das rotierbare mikrofluidische System 7. Das Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in einer Kavität 2 eines rotierbaren mikrofluidischen Systems 7 umfasst die Schritte der Bereitstellung eines Messsignals, des drahtlosen Übertragens eines mit dem Messsignal korrespondierenden Signals auf einen Signalempfanger 13, sowie ggf. das drahtlose Übertragen der zur Bereitstellung des Messsignals notwendigen Energie auf das rotierbare mikrofluidische System 7.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Messung der Temperatur einer Flüssigkeit in einer Kavität eines zentrifugal-fluidischen Systems.
Stand der Technik und Nachteile
Die zentrifugale Mikrofluidik erfuhr im letzten Jahrzehnt große Aufmerksamkeit aufgrund ihres Potentials für die Integration und Automatisierung von Analyse- und Diagnoseaufgaben. Wirtschaftlich besonders interessant ist die Automatisierung von Routineaufgaben in günstigen Testträgern auf preiswerten Prozessierungsgeräten. Neben einem zentrifugalen Antrieb zur Steuerung von Flüssigkeiten ist die präzise Temperierung dieser Flüssigkeiten mit einer homogenen Temperaturverteilung zwischen verschiedenen Reaktionsgefäßen von großer Bedeutung. Deshalb besteht insbesondere Bedarf an einer preiswerten Temperaturmesstechnik, die eine direkte Messung der Temperatur von Flüssigkeiten in Kavitäten von zentrifugal-fluidischen Chips unter Rotation mit hoher Genauigkeit erlaubt.
Nachfolgend werden die gemaß dem Stand der Technik verfügbaren Temperaturmessmethoden für fluidische Systeme vorgestellt und ihre Schwächen für die Anwendung in einem zentrifugal-fluidischen Analyser am Beispiel einer DNA-Amplifikation mittels PCR erläutert.
Generell unterscheidet man zwischen kontaktierenden und kontaktlosen Messverfahren.
Kontaktierende Methoden verwenden Dünnfilm-Sensoren aus Pt [1], Al [2], Polysilicon [3] oder Cu [4], alternativ Thermocouples [5], Dioden-Thermometer [6], Pt100- oder Halbleiter-Widerstandsthermometer [7]. All diese Messmethoden basieren auf der direkten Einbringung eines Sensors in die PCR Kavität. Somit besteht die Gefahr der Kontaminierung durch metallische Substanzen oder der PCR Inhibition durch Deaktivierung der Taq Polymerase durch Adsorption [8]. Insbesondere für zentrifugalfluidische Anwendungen stellt sich außerdem das Problem, dass die gemessenen Daten von der rotierenden Plattform auf einen stationären Rechner zur Verarbeitung übertragen werden müssen. Von großem Vorteil bei diesen Methoden ist hingegen die Moglichkeit der direkten und somit präzisen Messung der Temperatur der Reagenzien.
Kontaktlose Temperaturmessverfahren vermeiden die Gefahr der Kontamination oder Inhibition grundsätzlich. Pyrometer sind in der Lage eine weite Temperaturspanne zu messen, insbesondere auch sehr hohe Temperaturen. Es kommen dabei je nach zu vermessendem Temperaturbereich verschiedene Messprinzipien zum Einsatz. Häufig werden als Detektoren Strahlungsbolometer verwendet. In Thermokameras befinden sich CCD-Chips, welche für IR sensitiv sind, allerdings mussen sie aufgrund ihrer thermischen Drift gekühlt werden, was nachteilig und insbesondere in rotierenden Systemen nur mit hohem Aufwand möglich ist. Problematisch sind fur derartige Lösungen Infrarot-Optiken, die notwendig sind, um die gewünschten Ortsauflösungen zu erreichen. Da diese aus Glas gefertigt sein mussen, sind sie für Massenanwendungen zu teuer. Ein weiteres Hindernis für die pyrometrische Messung stellt der Umstand dar, dass das zu vermessende Wasservolumen komplett vom Kunststoff des mikrofluidischen Systems wie insbesondere der rotierenden Disk umschlossen ist. Das für mikrofluidische Anwendungen häufig verwendete COC zeigt nur wenig Transparenz im IR, vgl. 1. Demnach sind Pyrometer für den vorliegenden Anwendungsfall nicht geeignet.
Zwar ist die Nutzung von Refraktometern, welche die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindex von Flüssigkeiten als Messprinzip nutzen, theoretisch moglich, vgl. 2. Allerdings scheidet die Nutzung dieses Prinzips aus praktischen Gründen aus.
Die Messung des temperaturabhängigen Verhaltens von fluoreszierenden Markern in den Reagenzien stellt eine weitere Möglichkeit der kontaktlosen, optischen Temperaturmessung dar. Im Falle der Verwendung des Systems in Verbindung mit PCR sind derartige Marker ohnehin Bestandteil der PCR-Lösung, da sie zur Detektion der PCR verwendet werden. Nach ihrer Aktivierung durch einen Lichtpuls mit entsprechender Wellenlänge zeigt sich ein exponentielles Abklingverhalten ihrer Leuchtintensität. Die Abklingzeit ist dabei stark temperaturabhängig. Zwar existiert die Möglichkeit, mindestens zwei Lichtwellenleiter (LWL) in kurzen definierten Abständen so anzuordnen, dass sie durch die Rotation eines rotierenden mikrofluidischen Systems (Disk) zeitversetzt die Leuchtintensität der zuvor angeregten Kammern detektieren könnten. Aufgrund des schnellen Abfalls der Leuchtintensität müsste das Messsystem jedoch sehr präzise und somit finanziell aufwendig aufgebaut und kalibriert werden.
In Bezug auf die Fragestellung der Temperaturmessung kann zusammenfassend gesagt werden, dass der Stand der Technik keine Losung für eine kostengünstig realisierbare Methode zur hinreichend präzisen und schnellen kontaktlosen Messung der Temperatur in Kavitaten zentrifugal-fluidischer Systeme bereithält. Kontaktierende Temperaturmessverfahren sind nur für stationäre Einheiten verfügbar. Eine solche ist beispielsweise in der Druckschrift CN 87209746 (U) offenbart, wobei die Schaltung zusätzlich eine Driftkompensation aufweist.
Zur Übertragung der Energie uber rotierende Achsen hinweg stehen ebenfalls kontaktierende und kontaktlose Systeme zur Verfügung.
Kontaktierende Systeme basieren auf Schleifkontakten, wobei die verfugbaren Module aufgrund der Baugröße einerseits und der hohen Umdrehungszahlen andererseits nicht geeignet sind.
Die induktive Einkopplung von Energie auf rotierende Plattformen mit Messsystemen wird beispielsweise in der Druckschrift US 5,181,423 (A) beschrieben.
Aufgabe der Erfindung und Lösung
Die Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, mit der bzw. mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Insbesondere soll die erfindungsgemäße Lösung kostengunstig realisierbar und robust sein und eine hinreichend genaue Temperaturbestimmung in der Kavität eines mikrofluidischen, rotierenden Systems erlauben. Eine mechanische Abnutzung soll vermieden werden. Ebenso ist eine Kontamination der zu messenden Flüssigkeit zu vermeiden. Das Messprinzip soll sich auch nicht auf die Temperatur der Flüssigkeit auswirken.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung und den Figuren enthalten.
Beschreibung
Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines Anwendungsschwerpunktes der Erfindung, nämlich dem Gebiet der DNA-Amplifikation mittels PCR (polymerase chain reaction) in rotierenden Systemen, beschrieben. Die Temperatur wird in der Kavität analog gemessen. Das analoge Signal wird auf der rotierenden Plattform digitalisiert und drahtlos per Funk auf einen stationären Empfänger übertragen. Dort werden die Messdaten zur Temperaturregelung oder zur Charakterisierung von Temperaturverläufen in rotierenden Chips weiter verarbeitet. Alle aktiven Bauelemente der rotierenden Plattform werden durch induktive Einkopplung von Energie betrieben. Die Erfindung kann vielseitig fur weitere Anwendungen, die das Messen von Temperaturen in Kavitäten auf bewegten Plattformen erfordern, eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur in einer Kavität eines rotierbaren mikrofluidischen Systems dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Bestandteile umfasst:

– mindestens einen Sensor, welcher in die Kavität des rotierbaren mikrofluidischen Systems eingelegt ist, von einer Flüssigkeit kontaktierbar ist, und mit welchem ein der Temperatur der Flussigkeit entsprechendes Messsignal bestimmbar ist;
– ein mindestens teilweise auf dem rotierbaren mikrofluidischen System angeordnetes Mittel zur drahtlosen Übertragung eines mit dem Messsignal korrespondierenden Signals auf einen Signalempfänger, welcher außerhalb des rotierbaren mikrofluidischen Systems angeordnet ist;

Der Sensor ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Dünnfilm-Sensoren aus Pt, Al, Polysilicon, Cu, Thermocouples, Dioden-Thermometer, Pt100- und Halbleiter-Widerstandsthermometer. Wesentlich ist dabei ein möglichst geringes Volumen des Sensors. Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis zwischen Flüssigkeits- und Sensorvolumen von mehr als 100:1, in der vorliegenden Beispielhaften Ausführungsform beträgt das Sensorvolumen 54 nl bei einem Flussigkeitsvolumen von 6 μl. Der Sensor ist bevorzugt ein Thermistor, und besonders bevorzugt ein SMD-Thermistor. Dieser Thermistor wird in die Kavitat, die mit der zu messenden Flussigkeit befüllbar ist, eingelegt. Das vom Sensor generierte Messsignal ist, ggf. nach einer Umformung, drahtlos, z. B. per Funk oder opto-elektronisch, auf nicht rotierbare Teile des Gesamtsystems übertragbar.
Es ist dabei zu beachten, dass die zur Messung der Temperatur in den Sensor eingebrachte Energie, im vorliegenden Anwendungsfall der durch den Sensor fließende Strom, nicht zu einer signifikanten Erwärmung desselben und somit einer Beeinflussung der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit führt.
Insbesondere fur den Fall eines Thermistors, grundsätzlich jedoch beim Einsatz eines beliebigen, und insbesondere eines der oben beschriebenen, Sensoren ist vorteilhafterweise darauf zu achten, dass der Sensor unter Rotation durch, und insbesondere unter Berücksichtigung des Einflusses der Zentrifugalkraft F_z, der Corioliskraft oder von Kapillarkräften vollkommen kontaktiert, idealerweise umspult in der Flüssigkeit eingebettet ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmekapazität des Sensors im Vergleich zur Wärmekapazität der Flüssigkeit sehr gering, um ein nahezu thermisch neutrales Verhalten zu gewährleisten.
Nach einer anderen Ausführungsform wird der Sensor mit einem biokompatiblen und/oder elektrisch isolierenden Mantel umhüllt. Dieser weist besonders bevorzugt eine äußerst geringe Dicke von wenigen, und insbesondere von 5 Mikrometern auf, wobei geringere Dicken zu bevorzugen sind, sofern eine ausreichende mechanische Stabilität und elektrische Isolation gewahrleistet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist, im Falle der Verwendung eines Thermistors, dieser über eine 2-Draht-Leitung mit einer Steuerelektronik auf der rotierenden Plattform zur Signalverarbeitung verbunden.
Weitere, optionale Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein A/D-Wandler, welcher das analoge Signal digitalisiert, sowie ein Mikrocontroller, durch welchen das Signal mittels der Temperatur-Spannungs-Kennlinie des Thermistors skaliert werden kann.
Zudem ist ein zweiter Mikrokontroller vorgesehen, der außerhalb der rotierenden Teile des mikrofluidischen Systems angeordnet ist. Dieser ist in Bezug auf die Signalübertragung hinter einem erfindungsgemäß bevorzugt vorzusehenden Empfänger angeordnet. Das auf den zweiten Mikrokontroller transferierte Signal kann somit erneuten skaliert und zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
Durch eine Reduzierung der Große der Kavitat auf ein sehr kleines Volumen, im beschriebenen Anwendungsfall auf ein Volumen von 6 μl, ist durch natürliche Konvektion zwischen unterschiedlich stark erwarmten Bereichen ein Temperaturausgleich herstellbar, wodurch der an einem fixen Ort angeordnete Sensor die reale, in der gesamten Kavitat homogen auftretende und nicht nur punktuelle Temperatur misst. Typischerweise findet diese Durchmischung aufgrund der natürlichen Konvektion innerhalb kurzer Zeit, im besonderen Anwendungsfall in einer Zeit von weniger als 1 Sekunde statt.
Das erfindungsgemaße Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in einer Kavität eines rotierbaren mikrofluidischen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

– Bereitstellung eines Messsignals, welches der Temperatur einer in der Kavität einen Temperatursensor kontaktierenden Flüssigkeit entspricht;
– drahtloses Übertragen eines mit dem Messsignal korrespondierenden Signals auf einen Signalempfänger, welcher außerhalb des rotierbaren mikrofluidischen Systems angeordnet ist; Ggf. findet zusätzlich ein drahtloses Übertragen der zur Bereitstellung des Messsignals notwendigen Energie auf das rotierbare mikrofluidische System statt. Alternativ kann diese Energie auch beispielsweise durch eine Batterie im rotierenden Teil der Vorrichtung bereitgestellt werden, oder durch die Rotation selber erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst nach bevorzugten Ausführungsformen noch einen oder mehrere der folgenden Schritte:

– Einlegen des Sensors in die Kavität des mikrofluidischen Systems unter Berücksichtigung der Verformung des Meniskus der Flüssigkeit unter Rotation und des zu erwartenden Füllvolumens.
– Abdichten der zu den auf der rotierenden Plattform befindlichen Elektronik führenden Drähte; im Besonderen ist die Wirkung von Kapillarkräften entlang der Drähte zu unterbinden.
– Elektrisches Isolieren des Temperatursensors und der Kontaktierstellen durch Beschichtung mit einem Kunststoff oder einem anderen nicht elektrisch leitenden Material. Die Schichtdicke ist so zu wahlen, dass dadurch keine signifikante zusätzliche Wärmekapazität entsteht. Das Material darf nicht zur Kontamination oder Inhibition der biochemischen Prozesse, die in der Kavität ablaufen, fuhren. Fur den beispielhaft dargestellten, besonderen Anwendungsfall hat sich PDMS (Polydimethylsiloxan) in einer Schichtdicke von ca. 5 μm als vorteilhaft erwiesen.
– Kontaktieren wie insbesondere Umspülen des Sensors mit der zu messenden Flüssigkeit, unter vorzugsweiser Ausnutzung der Zentrifugalkraft oder/und von Kapillarkräften.
– Wandeln des analogen Messsignals in ein digitales Signal mit einer hinreichenden Auflösung und Wandlungsrate, bevorzugt mit einer minimalen Auflösung von 10 Bit und einer Wandlungsrate von 200 kHz.
– Digitales Linearisieren der Spannungs-Temperatur-Kennlinie zur Optimierung der Sensitivitat; die Digitalisierung der Kennlinie erfolgt bevorzugt mit hoher Auflösung, besonders bevorzugt wird eine Auflösung von <= 0,1 K. Einflüsse der Umgebungstemperatur auf das Spannungssignal werden zusätzlich zur oben beschriebenen analogen Driftkompensation digital durch temperaturabhangige Kennlinien eliminiert.
– Skalieren des Signals unter Verwendung der digitalisierten Werte der Temperatur-Spannungs-Kennlinie des Sensors; der Wertebereich nach der Skalierung deckt bevorzugt den relevanten Temperaturbereich mit hinreichender Auflösung ab.
– drahtloses Übertragen des ggf. skalierten Signals vom rotierenden mikrofluidischen System auf eine stationäre Datenverarbeitungseinheit (Empfanger).
– Gewährleistung der Datenübertragungssicherheit des drahtlos übertragenden Signals durch Fehler eliminierende Datenubertragungsalgorithmen.
– Transferieren des Signals zu einem zweiten Mikrocontroller; dieser Mikrocontroller leitet das Signal nach einer erneuten Skalierung zur D/A-Wandlung weiter oder verarbeitet das Signal digital zu einem Stellwert für einen digitalen Temperaturregler. Dieser Temperaturregler kann auch als adaptiver digitaler Regler in diesem Mikrocontroller realisiert sein. Alternativ wird der Mikrocontroller zur Temperaturmessdatenaufbereitung und Weiterleitung an einen angeschlossen PC benutzt.

Bevorzugt kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemaße Verfahren im Rahmen eines Thermocyclers bzw. zur Temperierung einer Flüssigkeit oder Reagenz in einer oder mehrerer Kavitäten eines zentrifugal (mikro-)fluidischen Systems in Betracht. Das hierzu eingesetzte Heizsystem umfasst bevorzugt einen IR-Ringstrahler, eine Heizung mit Dünnfilmthermistoren, welche beispielsweise in der Deckelfolie untergebracht sind, oder eine IR-Heizung, welche Punktstrahler und/oder ein Laserdiodenarray aufweist. Vorteilhafterweise kann die Heizung durch die individuell verstellbare Lage und Ausrichtung der Komponenten an unterschiedliche Durchmesser der Kavität angepasst werden. Bevorzugt werden im Fall mehrerer Punktstrahler als Heizungen auch mehrere Thermistoren als Sensoren eingesetzt.
Ferner umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie insbesondere der erwähnte Thermocycler bevorzugt auch eine Kühlung, welche besonders bevorzugt aktiv und geregelt ausgestaltet ist und Ventilatoren umfasst. Durch einen Warmetauscher kann eingeblasene Luft aktiv gekühlt werden. Alternativ oder zusatzlich kann eine aktive, geregelte Kühlung durch drehzahlabhängige Konvektion erreicht werden. Somit erfolgt die Einstellung der Kühlung mittels Drehzahlregelung des rotierenden mikrofluidischen Systems.
Besonders bevorzugt umfasst die Erfindung zur Kühlung einen adaptiven Temperaturregler für nicht-lineare Regelstrecken. Dieser weist ein konfigurierbares Parameterfeld für optimales Führungs- und Storgroßenverhalten beim Heizen und Kühlen auf, und erlaubt eine freie Lage und Größe der zu temperierenden Kavitäten.
Durch Verwendung der oben genannten Komponenten wird ein System beschrieben, welches im Vergleich zu luft-konvektions-basierten Systemen das Thermocyceln auf zentrifugal-(mikro)fluidischen Plattformen deutlich schneller und effizienter macht. Alle beschriebenen Varianten erlauben die verlustarme Übertragung von Wärmeenergie genau an die zu temperierenden Stellen. Der gesamte Wärmeeintrag in das System ist somit deutlich geringer als bei luft-konvektions-basierten Systemen, wodurch folglich die erforderliche Energie zur Kühlung bei Thermocycling-Prozessen signifikant reduziert wird.
Zusammenfassend eröffnen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit der kontaktierenden und somit preiswerten Temperaturmessung in zentrifugalfluidischen Systemen. Die Verwendung von Thermistoren und einer digitalen Steuerelektronik zur Kompensation der nicht-linearen Temperatur-Spannungskennlinie des Thermistors garantiert eine robuste und sehr sensitive Temperaturmessung. Ein entsprechend der Erfindung aufgebautes bzw. arbeitendes Messsystem ist somit sensitiv, flexibel und zugleich robust, und eröffnet daher auch neue Potentiale zur Optimierung der Temperierung auf rotierenden mikrofluidischen Systemen. Insbesondere erlaubt die direkte Temperaturmessung die Messung des direkten Wärmeeintrages in die Flüssigkeiten, wobei diese Möglichkeit der Messung des Wärmeeintrages eine Vielzahl effizienter, direkter und für zentrifugalfluidische Systeme geeigneter Heizmethoden wie beispielsweise IR-Strahlung, Ultraschall, Mikrowellen oder induktive Einkopplung nutzbar werden lassen.
Figurenbeschreibung
1 zeigt wellenlängenabhängige Absorptionsspektren von COC bei verschiedenen Wandstärken.
2 zeigt einen theoretischen Messaufbau für eine refraktometrische Messung nach Jelley in einer mikrofluidischen Cartridge.
3 zeigt einen Thermistor in einer Kavität unter Einwirkung der Zentrifugalkraft F.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems mit drahtloser Datenübertragung und induktiver Spannungsversorgung.
In der 1 sind wellenlängenabhängige Absorptionsspektren von COC bei verschiedenen Wandstärken gezeigt. Demnach zeigt das für mikrofluidische Anwendungen häufig verwendete COC nur wenig Transparenz im IR, es gibt nur zwei Fenster, in denen noch teilweise Transmission zu finden ist. Eines liegt zwischen 4 und 7 μm und eines zwischen 13 und 17 μm Wellenlange. In diesen Bereichen liegt die Transparenz bei ungefähr 70% für die Folie mit 150 μm Wandstärke und noch bei 20% für eine Cartridge mit 800 μm Wandstärke.
Mit Hilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes lassen sich die Abstrahlleistung und die Wellenlange des Strahlungsmaximums des Wasservolumens bei gegebener Temperatur berechnen. Gleiches lässt sich auch für das COC tun. Legt man beide Kurven ubereinander, ist eine qualitative Abschätzung darüber möglich, ob die vom Wasser abgegebene Strahlung von ihrer Wellenlänge und ihrer Leistung uberhaupt gegen das COC gemessen werden kann. Die Temperatur von Wasser und dem daran angrenzenden COC wird sich kaum unterscheiden, da beide Medien in direktem Kontakt stehen. Zwischen dem COC und der Umgebungsluft geschieht dasselbe, so dass innerhalb des COC ein Temperaturgradient entsteht. Damit wäre eine Messung des Wassers gegen das COC unmoglich, man würde hauptsächlich die Oberflächentemperatur des Kunststoffs messen können, welche den geringen Anteil der noch transmittierten Wasserstrahlung völlig überlagern würde. „Die marktgängigen Strahlungspyrometer erscheinen zur Bestimmung der Temperatur von Flüssigkeiten geeignet, sofern ein freier optischer Zugang besteht. [...] Der Strahlungsbeitrag der Wand sowie die Abschwächung der thermischen Strahlung, welche die Flüssigkeit aussendet, verfälschen deshalb das Messergebnis.” [Eder, 2003]. Somit eignet sich der Pyrometer für den vorliegenden Anwendungsfall nicht.
In der 2 ist zeigt einen theoretischen Messaufbau für eine refraktometrische Messung nach Jelley in einer mikrofluidischen Cartridge gezeigt.
Ein Refraktometer nutzt die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindex von Flussigkeiten als Messprinzip. Die Änderung des Brechungsindex uber der Temperatur steht in Zusammenhang mit dem temperaturabhangigen Volumenausdehnungskoeffizient β [K^–1]. Folgende Formel beschreibt dabei die Änderung des Brechungsindex Δn als Funktion des Brechungsindex n bei 20°C, β und der Temperaturänderung ΔT [K].
Da n und β fixe Werte sind, skaliert also die Brechungsindexänderung linear mit der Temperaturänderung. Es ergeben sich für das Δn von Wasser, COC und Luft für 1 K Temperaturdifferenz folgende Werte:
Wasser: 7,71·10^–5; COC: 1,09·10^–4; Luft: 1,10·10^–6
Mit diesen bereits sehr kleinen Änderungen müsste nun über den geometrischen Aufbau des mikrofluidischen Systems wie beispielsweise einer Cartridge/Disk die Ablenkung eines gebrochenen Lichtstrahles berechnet werden. Ein Aufbau nach dem Prinzip des Jelley-Refraktometers ist dabei am sinnvollsten. Hierzu muss lediglich der Boden der Kavitat in Form eines Prismas gestaltet werden, weitere geometrische Änderungen sind nicht notwendig. Ein kollimierter Lichtstrahl kann von oben durch die Kavität gestrahlt werden, wird zunächst am Prisma und anschließend noch einmal am Boden der Disk zur Luft hin gebrochen. Unterhalb der Disk wird der Strahl dann mit einem handelsüblichen CCD-Sensor detektiert. Die 2 zeigt einen möglichen Aufbau inklusive einer Referenzmessung ohne Wasser in einer zweiten Kavität.
Für eine erste Abschatzung der Strahlabweichung bei 1 K Temperaturänderung in einem solchen Aufbau kann mit dem Gesetz von Snellius die Änderung des Brechungswinkels und über geometrische Betrachtungen schließlich ein Versatz des Strahls am Übergang von COC zu Luft am Boden der Disk bestimmt werden. Um diesen Versatz von vorneherein zu maximieren, wird der Anstellwinkel des Prismas so gewählt, dass gerade keine Totalreflexion eintreten kann. Es ergeben sich in erster Näherung Strahlabweichungen von 10 nm/K an der Grenzfläche COC-Luft. 5 mm unterhalb dieser Grenzfläche würde der Strahlversatz bereits 6,8 μm/K betragen. Handelsübliche CCD-Sensoren haben Pixelbreiten von 3–4 μm und wären daher theoretisch in der Lage diese Strahlabweichungen in entsprechender Entfernung aufzulösen. Wie 2 aber bereits andeutet, hat die Oberfläche des Wasservolumens in der Kavität einen entscheidenden Einfluss auf den Strahlengang. Aufgrund der Kapillarkräfte, der Hydrophilität des COC und der kleinen Dimension der Kavitat liegt ein stark ausgeprägter Meniskus an der Wasseroberfläche vor. Dieser wird sich sowohl mit der temperaturabhängigen Oberflächenspannung als auch mit den durch die Rotation der Disk induzierten Zentrifugalkräften stark verformen. Damit ware ein senkrechtes (brechungsfreies) Durchlaufen des Lichtstrahles beim Eindringen in das Wasser nicht mehr gewährleistet. Es fände folglich bereits vor dem Prisma Brechung statt, womit eine korrekte Messung nicht mehr möglich wäre.
In der 3 ist ein Thermistor in einer Kavität unter Einwirkung der Zentrifugalkraft F_z gezeigt.
Durch einen Einlasskanal 1 kann Flüssigkeit F in die Kavitat 2 gelangen. Im mittleren Bereich des mit Flüssigkeit F befüllten Bereiches der Kavität 2 ist oberhalb einer Öffnung 6 der Sensor 3 angeordnet. Dieser kann durch Einwirkung der Zentrifugalkraft F_z von der Flüssigkeit F kontaktiert bzw. umspült werden. Der Sensor ist mittels entsprechender Drähte 4 an einem nicht gezeigten Sender angeschlossen. Hierzu ist ein gesonderter Kabelkanal vorgesehen. Nicht dargestellt ist eine Deckfolie, welche nach einer ebenfalls nicht gezeigten Ausführungsform Dünnfilmthermistoren als Sensoren tragen kann.
Die 4 zeigt schließlich eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems mit drahtloser Datenübertragung und induktiver Spannungsversorgung. Auf dem rotierbaren mikrofluidischen System 7 befindet sich der Sensor 3 in der Kavität 4 (vgl. 3). Von hier aus führen Drähte (nicht dargestellt) zum Zentrum des Systems 7. Dort sind ein A/D-Wandler 8, ein Spannungsregler 9 und ein Sender 10 angeordnet. Diese Elemente 8, 9 und 10 rotieren während des Betriebes mit. Ebenfalls im Zentrum angeordnet ist die Sekundarspule 11B. Diese wirkt zur Energieübertragung mit einer Primarspule 11A zusammen, welche nicht mit rotiert. Die Primärspule 11A ist über eine Leitung mit den stationären Elementen wie einem D/A-Wandler 12, einem Signalempfänger 13 und einer Spannungsversorgung 14 verbunden.
Quellenangaben

[1] Bu et al., 2003
[2] Burns et al., 1996
[3] Erill et al., 2003, 2004
[4] Shen et al., 2005
[5] Belgrader et al., 2003
[6] Iordanov et al., 2003
[7] Curcio and Roeraade, 2003
[8] Chunzun Zhang et al., 2006

Bezugszeichenliste

1: Einlasskanal
2: Kavität
3: Sensor
4: Drähte
5: Kabelkanal
6: Öffnung
7: rotierbares mikrofluidisches System
8: A/D-Wandler
9: Spannungsregler
10: Sender
11A: Primärspule
11B: Sekundärspule
12: D/A-Wandler
13: Signalempfänger
14: Spannungsversorgung
F: Flüssigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 87209746 U [0009]
US 5181423 (A) [0012]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur in einer Kavität (2) eines rotierbaren fluidischen wie insbesondere mikrofluidischen Systems (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Bestandteile umfasst: – mindestens einen Sensor (3), welcher in die Kavität (2) des rotierbaren fluidischen Systems (7) eingelegt ist, von einer Flüssigkeit (F) kontaktierbar ist, und mit welchem ein der Temperatur der Flüssigkeit (F) entsprechendes Messsignal bestimmbar ist; – ein mindestens teilweise auf dem rotierbaren mikrofluidischen System (7) angeordnetes Mittel zur drahtlosen Übertragung eines mit dem Messsignal korrespondierenden Signals auf einen Signalempfänger (13), welcher außerhalb des rotierbaren fluidischen Systems (7) angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung der Temperatur in einer Kavitat (2) eines rotierbaren mikrofluidischen Systems (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellung eines Messsignals, welches der Temperatur einer in der Kavität (2) einen Temperatursensor (3) kontaktierenden Flüssigkeit (F) entspricht; – drahtloses Übertragen eines mit dem Messsignal korrespondierenden Signals auf einen Signalempfanger (13), welcher außerhalb des rotierbaren mikrofluidischen Systems (7) angeordnet ist.
Thermocycler, umfassend ein System gemaß Anspruch 1.
Thermocycler, welcher ein Verfahren gemäß Anspruch 2 verwendet.