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Die vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit und insbesondere solche Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, die zum passiven Einwärtspumpen einer Flüssigkeit in Zentrifugenrotoren geeignet sind.
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Rotoren zur Prozessierung von Flüssigkeit werden insbesondere in der zentrifugalen Mikrofluidik eingesetzt. Entsprechende Rotoren beinhalten Kammern zum Auffangen von Flüssigkeit und Kanäle für die Fluidführung. Unter zentripetaler Beschleunigung des Rotors wird die Flüssigkeit radial nach außen gedrückt und kann durch entsprechende Fluidführung somit zu einer radial äußeren Position gelangen. Anwendungen findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich im Bereich der Lebenswissenschaften, insbesondere in der Laboranalytik. Sie dient dazu, Prozessabläufe zu automatisieren und Vorgänge, wie z. B. Pipettieren, Mischen, Abmessen, Aliquotieren und Zentrifugieren automatisiert durchzuführen.
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Die zur Durchführung derartiger Vorgänge genutzte Zentrifugalkraft wirkt radial nach außen, so dass in konventionellen Rotoren Flüssigkeit nur radial nach außen gepumpt wird, aber nicht einwärts von einer radial äußeren Position zu einer radial inneren Position. Somit ist der fluidische Pfad, und damit auch die Anzahl der fluidischen Prozesse im Rotor, durch den Radius des Rotors begrenzt. Folglich erfordern Untersuchungen mit einer hohen Anzahl fluidischer Prozesse große Rotoren, die den benötigten radialen Weg gewährleisten. Große Rotoren können jedoch nicht in Standardgeräten eingesetzt werden und limitieren die maximale Drehfrequenz, während zudem ein Großteil der Rotorfläche ungenutzt bleibt.
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Um die Dichte fluidischer Einheitsoperationen in solchen Zentrifugenrotoren zu erhöhen, bzw. um die Größe von Zentrifugenrotoren zu verringern, ist es unerlässlich, Rotoren nicht nur in ihrer radialen Länge, sondern auch in ihrer Fläche auszunutzen. Um dies realisieren zu können, ist es vorteilhaft bzw. notwendig, Probenflüssigkeit in Zentrifugenrotoren radial nach innen zu bewegen, also einwärts zu pumpen.
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Unterschiedliche Techniken, um ein Einwärtspumpen in Zentrifugenrotoren zu implementieren, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die meisten bekannten Techniken verwenden dabei ein aktives Einwärtspumpen, also ein Einwärtspumpen, das mit externen Hilfsmitteln realisiert wird.
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So ist ein Einwärtspumpen unter Verwendung einer externen Druckquelle bei Kong et al., „Pneumatically Pumping Fluids Radially Inward On Centrifugal Microfluidic Platforms in Motion”, Letters to Anal. Chem., 82, S. 8039–8041, 2010, beschrieben.
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Ein thermopneumatisches Einwärtspumpen von Flüssigkeit unter Zentrifugation durch ein Erwärmen von Luft über Infrarotstrahlung ist bei Abi-Samra et al., „Thermo-pneumatic pumping in centrifugal microfluidic platforms”, Microfluid Nanofluid, D0I 10.1007/s10404-011-0830-5, 2011, und Abi-Samra et al., „Pumping fluids radially inward an centrifugal microfluidic Platforms via thermally-actuated mechanisms”, μTAS conference paper, 2011, beschrieben.
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Ferner ist in der
US 7 819 138 B2 eine mikrofluidische Vorrichtung beschrieben, bei der durch eine externe Luftdruckquelle Flüssigkeit in stillstehenden Scheibenrotoren radial einwärts gepumpt wird.
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Neben derartigen aktiven Ansätzen zum Bewirken eines Einwärtspumpens von Flüssigkeit in zentrifugalen Systemen sind Techniken bekannt, bei denen durch die Verwendung des zentrifugalen Beschleunigungsfelds, das auf eine Flüssigkeit in einer rotierenden Scheibe wirkt, pneumatische Energie für eine spätere Verwendung zur Umkehrung der Flussrichtung der Flüssigkeit, wenn die zentrifugale Beschleunigung reduziert wird, erzeugt und gespeichert wird. So offenbart Noroozi et al., „A multiplexed immunoassay system based upon reciprocating centrifugal microfluidics”, Review of Scientific Instruments, 82, 064303 (2011), ein Fluidiksystem, bei dem eine Druckkammer radial innerhalb einer Reaktionskammer angeordnet ist, wobei bei einer zentrifugalen Befüllung der Reaktionskammer bei hoher Drehfrequenz eine Luftblase in der Druckkammer eingeschlossen und komprimiert wird. Bei Verringerung der Drehfrequenz dehnt sich die Luftblase in der Druckkammer wieder aus, so dass eine Rückwärtsbewegung der Flüssigkeit in der Reaktionskammer stattfindet. Dadurch wird ein effizientes Mischen ermöglicht.
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Ferner ist bei Noroozi et al., „Reciprocating flow-based centrifugal microfluidics mixer”, Review of Scientific Instruments, 80, 075102, 2009, ein Verfahren zum Mischen von Flüssigkeiten bekannt, bei dem zwei Einlässe einer Mischkammer mit Flüssigkeitskammern fluidisch verbunden sind, während Auslässe der Kammer mit einer Luftkammer verbunden sind. Beim zentrifugalen Befüllen der Mischkammer wird Luft in der Luftkammer eingeschlossen und komprimiert. Bei einer Verringerung der Drehfrequenz dehnt sich die in der Luftkammer eingeschlossene Luft aus, so dass ein Rückwärtsfluss in der Mischkammer erzeugt werden kann. Durch ein wechselweises Erhöhen und Absenken der Drehfrequenz soll ein effizientes Mischen der Flüssigkeiten in der Mischkammer erreicht werden.
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Bei Gorkin et al., „Pneumatic pumping in centrifugal microfluidic platforms”, Microfluid Nanofluid (2010) 9:541-549 ist ein pneumatisches Pumpen in zentrifugalen mikrofluidischen Plattformen beschrieben. Eine Einlasskammer ist über einen radial nach außen verlaufenden Fluidkanal mit einer Druckkammer verbunden. Flüssigkeit wird unter Wirken einer Zentrifugalkraft, die durch eine Drehung bei einer hohen Drehfrequenz bewirkt wird, aus der Einlasskammer in die Druckkammer getrieben, wobei dort eine Luftblase eingeschlossen und komprimiert wird. Bei einer Verringerung der Drehfrequenz dehnt sich die Luftblase wieder aus und die Flüssigkeit wird in den Einlasskanal zurückbewegt. Somit findet ein Rückpumpen von Flüssigkeit auf demselben Pfad statt. Ferner ist in dieser Schrift eine weitere Anwendung beschrieben, bei der mit der Druckkammer über einen Siphon eine Auslasskammer verbunden ist. Bei einer ausreichend hohen Rotationsfrequenz sind die Pegelstände der Flüssigkeit in dem Einlasskanal, der Druckkammer und dem Auslass-Siphon nahezu im Gleichgewicht, während eine Komprimierung eines in der Druckkammer verbliebenen Luftvolumens stattfindet. Bei einer Reduzierung der Drehfrequenz wird die Zentrifugalkraft, die auf die Flüssigkeit wirkt, geringer und die komprimierte Luft dehnt sich aus, so dass Flüssigkeit in den Einlasskanal sowie den Siphon gepumpt wird. Dadurch kann der Siphon gefüllt werden und die Druckkammer kann über den Siphon in die Auslasskammer entleert werden.
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Bei den bekannten Verfahren zum Einwärtspumpen werden somit zum einen Hilfsmittel, wie externe Druckwellen, Heizgeräte oder Wachsventile verwendet. Diese Hilfsmittel stellen zum Rotor zusätzliche Materialien und Peripheriegeräte dar und sind somit kostenintensiv. Des Weiteren sind die benötigte Ansteuerung der Peripheriegeräte sowie die Prozesse im Rotor komplex. Zudem sind diese Methoden sehr zeitintensiv. Beispielsweise werden für das Einwärtspumpen mit einer externen Druckquelle, wie beispielsweise bei Kong et al. beschrieben ist, 60 Sekunden für 68 μl Probenflüssigkeit benötigt. Für thermopneumatisches Pumpen, wie es beispielsweise bei Abi-Samra et al. beschrieben ist, wird eine Pumprate von 7,6 ± 1,5 μl/min angegeben. Ein weiterer Nachteil der Methode, bei der eine externe Druckquelle verwendet wird, besteht darin, dass ein limitierter Drehfrequenzbereich von 1,5 Hz bis 3,0 Hz existiert, bei dem die Methode zuverlässig funktioniert. Für ein thermopneumatisches Einwärtspumpen wird eine abgeschlossene Druckkammer für die zu erhitzende Luft benötigt. Eine solche Druckkammer wurde bei den beschriebenen Verfahren durch Schmelzen und Erstarren von Wachsventilen realisiert, was jedoch einen unumkehrbaren Prozess darstellt.
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Für das in der
US 7 819 138 B2 beschriebene Verfahren muss der Rotor angehalten werden, was aufgrund des resultierenden Ausfalls der Zentrifugalkraft unerwünschte Trägheits- und Oberflächeneffekte hervorrufen kann.
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Schließlich ist das bei Gorkin beschriebene Verfahren auf die Rückführung der Probenflüssigkeit von außen nach innen auf demselben fluidischen Pfad zurück zur ursprünglichen radialen Position bzw. auf das Füllen eines Siphons beschränkt. Ein allgemeines Einwärtspumpen durch einen weiteren fluidischen Pfad zu einer radial weiter innen liegenden Position ist damit nicht möglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fluidikmodul, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit zu schaffen, die ein Einwärtspumpen von Flüssigkeit in zentrifugalen Systemen flexibel ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fluidikmodul nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Kammer mit einem Fluidauslass;
einer Kompressionskammer;
einer zweiten Kammer mit einem Fluideinlass;
einem ersten Fluidkanal zwischen dem Fluidauslass der ersten Kammer und der Kompressionskammer;
einem zweiten Fluidkanal zwischen der Kompressionskammer und dem Fluideinlass der zweiten Kammer,
wobei eine Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal aus der ersten Kammer in die Kompressionskammer treibbar ist,
wobei der zweite Fluidkanal zumindest einen Abschnitt aufweist, dessen Anfang radial weiter innen angeordnet ist als dessen Ende,
wobei ein Strömungswiderstand des zweiten Fluidkanals für einen Flüssigkeitsfilm von der Kompressionskammer in die zweite Kammer kleiner ist als ein Strömungswiderstand des ersten Fluidkanals für einen Flüssigkeitsfilm von der Kompressionskammer in die erste Kammer, und
wobei bei einer Drehung des Fluidikmoduls ein kompressibles Medium in der Kompressionskammer durch eine Flüssigkeit, die durch Zentrifugalkraft von der ersten Kammer in die Kompressionskammer getrieben wird, einschließbar und komprimierbar ist, und wobei Flüssigkeit durch Absenken der Drehfrequenz und dadurch bedingtes Ausdehnen des kompressiblen Mediums aus der Kompressionskammer durch den zweiten Fluidkanal in die zweite Kammer treibbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Pumpen einer Flüssigkeit mit einem solchen Fluidikmodul und einem Antrieb, der ausgelegt ist, um das Fluidikmodul mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Der Antrieb ist ausgelegt, um das Fluidikmodul in einer ersten Phase mit einer solchen Drehfrequenz zu beaufschlagen, dass Flüssigkeit von der ersten Kammer durch den ersten Fluidkanal in die Kompressionskammer getrieben wird, in der dadurch eine kompressibles Medium eingeschlossen und komprimiert wird, wobei Füllstände der Flüssigkeit in dem ersten Fluidkanal, der Kompressionskammer und dem zweiten Fluidkanal einen Gleichgewichtszustand annehmen. Der Antrieb ist ferner ausgelegt, um die Drehfrequenz in einer zweiten Phase so abzusenken, dass sich das kompressible Medium in der Kompressionskammer ausdehnt und dadurch Flüssigkeit aus der Kompressionskammer durch den zweiten Fluidkanal in die zweite Kammer treibt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ferner ein Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit, bei dem eine Flüssigkeit in die erste Kammer eines entsprechenden Fluidikmodul eingebracht wird. Das Fluidikmodul wird mit einer Drehfrequenz beaufschlagt, um Flüssigkeit aus der ersten Kammer durch den ersten Fluidkanal in die Kompressionskammer zu treiben, wobei das kompressible Medium in der Kompressionskammer eingeschlossen und komprimiert wird und Füllstände der Flüssigkeit in dem ersten Fluidkanal, der Kompressionskammer und dem zweiten Fluidkanal einen Gleichgewichtszustand annehmen. Anschließend wird die Drehfrequenz abgesenkt, wobei sich das kompressible Medium in der Kompressionskammer ausdehnt und dadurch Flüssigkeit aus der Kompressionskammer durch den zweiten Fluidkanal in die zweite Kammer getrieben wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass es durch Einstellen der Strömungswiderstände des Einlasskanals zwischen erster Kammer und Kompressionskammer und des Auslasskanals zwischen Kompressionskammer und zweiter Kammer möglich ist, ein Rückwärtspumpen einer Flüssigkeit in zentrifugalen Systemen auf flexible Art und Weise zu ermöglichen. Dabei kann das Einwärtspumpen bis zu einem Ort stattfinden, der radial weiter innen liegt als der Ort, von dem aus das Pumpen stattgefunden hat. So kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der Fluideinlass der zweiten Kammer radial weiter innen angeordnet sein als der Fluidauslass der ersten Kammer. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die gesamte zweite Kammer radial weiter innen angeordnet sein als die erste Kammer. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein Pumpen von Flüssigkeit radial nach innen auf flexible Art und Weise, da Flüssigkeiten auch zu Positionen gepumpt werden können, die radial weiter innen angeordnet sind als die Ausgangsposition.
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Ein Volumen der Flüssigkeit, das von der ersten Kammer in die Kompressionskammer getrieben wird, ist dabei derart, dass bei einer Rotation mit einer ausreichenden Drehfrequenz ein Gleichgewichtszustand der Füllstände in dem ersten Fluidkanal, der Kompressionskammer und dem zweiten Fluidkanal erreichbar ist. Die Drehfrequenz ist dabei ausreichend hoch, um eine solche Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit auszuüben, dass das kompressible Medium in der Kompressionskammer ausreichend zu komprimieren, um dann bei einem Absenken der Drehfrequenz Flüssigkeit aus der Kompressionskammer durch den zweiten Fluidkanal in die zweite Kammer zu treiben.
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Bei der Kompressionskammer handelt es sich um eine nicht entlüftete Kammer, um das Komprimieren des kompressiblen Mediums zu ermöglichen. Bei Ausführungsbeispielen weist die Kompressionskammer mit Ausnahme des oder der Fluideinlässe, die mit dem oder den ersten Fluidkanälen verbunden sind, und dem oder den Fluidauslässen, die mit dem oder den zweiten Fluidkanälen verbunden sind, keine Fluidöffnungen auf.
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Bei der zweiten Kammer kann es sich um eine beliebige fluidische Struktur handeln, beispielsweise eine weiterführende fluidische Struktur, die mit strömungsmäßig nachgeschalteten Fluidikstrukturen gekoppelt ist.
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Bei Ausführungsbeispielen weist die Kompressionskammer einen Fluideinlass und einen Fluidauslass auf, wobei der erste Fluidkanal den Fluidauslass der ersten Kammer mit dem Fluideinlass der Kompressionskammer verbindet und wobei der zweite Fluidkanal den Fluidauslass der Kompressionskammer mit dem Fluideinlass der zweiten Kammer verbindet. Bei Ausführungsbeispielen weist die Kompressionskammer eine Fluidöffnung auf, die mit einem Kanalabschnitt fluidisch gekoppelt ist, in den der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal münden.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanals größer als der Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanals, um somit einen geringeren Strömungswiderstand des zweiten Fluidkanals zu implementieren. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der zweite Fluidkanal entsprechend kürzer sein als der erste Fluidkanal, um auch bei gleichem oder geringerem Strömungsquerschnitt einen geringeren Strömungswiderstand als der erste Fluidkanal zu implementieren. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Strömungswiderstand des ersten Fluidkanals zumindest doppelt so groß sein wie der Strömungswiderstand des zweiten Fluidkanals. Bei Ausführungsbeispielen kann der erste Fluidkanal ein Ventil aufweisen, um den fluidischen Widerstand des ersten Fluidkanals zu erhöhen. Das Ventil kann für einen Fluidfluss von der ersten Kammer zu der Kompressionskammer einen höheren Strömungswiderstand darstellen als in der umgekehrten Richtung. Das Ventil kann beispielsweise ausgebildet sein, um einen zentrifugal bewirkten Fluidfluss von der ersten Kammer in die Kompressionskammer zu ermöglichen, jedoch einen Rückfluss von der Kompressionskammer in die erste Kammer zu unterbinden. Beispielsweise kann das Ventil eine Kugel oder ein Rückschlagventil aufweisen.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der zweite Fluidkanal einen Siphon aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung stützen sich somit auf einen pneumatischen Pumpeffekt in Kombination mit Einlasskanälen und Auslasskanälen für die Kompressionskammer, die unterschiedliche Geometrien aufweisen, derart, dass der Auslasskanal einen geringeren Strömungswiderstand liefert als der Einlasskanal. Somit können die hydrodynamischen Eigenschaften von Flüssigkeit genutzt werden, um diese einwärts zu pumpen. Eine entsprechende Vorgehensweise ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Diesbezüglich sei darauf verwiesen, dass gemäß der oben genannten Schrift von Gorkin ein Einwärtspumpeffekt nicht durch unterschiedliche Strömungswiderstände erreicht wird, sondern durch die entsprechende radiale Anordnung der Kanäle und Strukturen, um eine Befüllung des Siphon und eine Entleerung der Druckkammer über dem Siphon zu ermöglichen.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der beschriebene Pumpeffekt thermisch oder durch Gasentwicklung unterstützt werden. Zu diesem Zweck können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Druckquelle zum Erzeugen eines Drucks in der Kompressionskammer und/oder eine Heizquelle zum Erwärmen des kompressiblen Mediums in der Kompressionskammer aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich somit auf geometrische Strukturen und Verfahren, mit denen Flüssigkeiten nach Kompression eines kompressiblen Mediums aufgrund verschiedener hydrodynamischer Widerstände in Zentrifugenrotoren einwärts gepumpt werden können. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf geometrische Strukturen und Verfahren, mit denen Flüssigkeiten nach Kompression eines kompressiblen Mediums aufgrund verschiedener hydrodynamischer Widerstände in Zentrifugenrotoren einwärts gepumpt werden, um dadurch einen Siphon zu primen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit ein passives Einwärtspumpen von Flüssigkeit in Zentrifugenrotoren zu Positionen, die radial weiter innen liegen können als die Ausgangsposition.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgen Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls;
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2 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktion des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels;
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3 und 4 schematische Seitenansichten zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen; und
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5 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls.
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Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sei zunächst darauf hingewiesen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Nanoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Die Fluidikstrukturen (geometrischen Strukturen) sowie die zugehörigen Verfahren sind dafür geeignet, Flüssigkeit in Zentrifugenrotoren radial einwärts zu pumpen. Unter einem Einwärtspumpen wird dabei ein Transport von Flüssigkeit von einer radial äußeren Position zu einer radial inneren Position verstanden, jeweils relativ zu einem Rotationszentrum, um das die Fluidikstruktur drehbar ist. Unter einem passiven Einwärtspumpen wird dabei ein Einwärtspumpen verstanden, das ausschließlich durch die Drehfrequenz des Rotors und die fluidischen Widerstände der Zu- und Ableitungen zu und von einer Kompressionskammer gesteuert wird.
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Wird hierein der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotor drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist.
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Bevor Bezug nehmend auf die 1 und 2 auf ein Ausführungsbeispiel eines Fluidikmoduls mit entsprechenden Fluidikstrukturen näher eingegangen wird, werden zunächst Bezug nehmend auf die 3 und 4 Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
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3 zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul 10 in Form eines Rotationskörpers, der ein Substrat 12 und einen Deckel 14 aufweist. Das Substrat 12 und der Deckel 14 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 16 an einem rotierenden Teil 18 einer Antriebsvorrichtung angebracht sein kann. Das rotierende Teil 18 ist drehbar an einem stationären Teil 22 der Antriebsvorrichtung 20 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 24 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper 10 mit Rotationen mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 24 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 24 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall ist die Steuereinrichtung 24 konfiguriert, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper mit den erforderlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, um die Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 20 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
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Der Rotationskörper 10 weist die erforderlichen Fluidikstrukturen auf. Die erforderlichen Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 14, dem Substrat 12 oder in dem Substrat 12 und dem Deckel 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 12 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 14 gebildet sind.
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Bei einem alternativen in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 32 in einen Rotor 30 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den Rotationskörper 10. Die Fluidikmodule 32 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 30 und die Fluidikmodule 32 gebildete Rotationskörper 10 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 20, die durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die fluidischen Strukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, PVC, Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan) Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden.
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Eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls 50, bei dem ein Deckel weggelassen ist, so dass die Fluidikstrukturen zu erkennen sind, ist in 1 gezeigt. Das in 1 gezeigte Fluidikmodul 50 kann die Form einer Scheibe aufweisen, so dass die Fluidikstrukturen um ein Rotationszentrum 52 drehbar sind. Die Scheibe kann ein mittiges Loch 54 zur Anbringung an einer Antriebsvorrichtung aufweisen, wie oben beispielsweise Bezug nehmend auf die 3 und 4 erläutert wurde.
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Die Fluidikstrukturen sind ausgelegt, um in dem Fluidikmodul 50 Flüssigkeit radial einwärts zu pumpen. Die Fluidikstrukturen weisen eine erste Kammer 60, die eine Einlasskammer darstellt, eine Kompressionskammer 62 und eine zweite Kammer 64, die eine Auffangkammer darstellt, auf. Ein Fluidauslass 66 der Einlasskammer 60, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einem radial äußeren Ende der Einlasskammer 60 angeordnet ist, ist über einen ersten Fluidkanal 68 mit einem Fluideinlass 70 der Kompressionskammer 62 fluidisch verbunden. Der Fluideinlass 70 kann sich an einem radial äußeren Bereich der Kompressionskammer 62 befinden. Ein Fluidauslass 72 der Kompressionskammer 62 ist über einen zweiten Fluidkanal 74 mit einem Fluideinlass 76 der Auffangkammer 64 fluidisch verbunden. Der Fluidauslass 72 ist an einem von dem Fluideinlass 70 in azimutaler Richtung beabstandeten radial äußeren Bereich der Kompressionskammer 62 angeordnet. Der zweite Fluidkanal 74 weist einen sich radial nach innen erstreckenden Abschnitt auf und stellt somit für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer 62 zu der zweiten Kammer 64 einen radialen Anstieg dar.
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Wie in 1 schematisch angedeutet ist, kann die Einlasskammer 60 einen Einfüllbereich 80 und einen Entlüftungsbereich 82 aufweisen. Die Auffangkammer 64 kann einen Entlüftungsbereich 84 aufweisen. Der Einfüllbereich 80 und die Entlüftungsbereiche 82 und 84 können mit einer entsprechenden Einfüllöffnung (nicht gezeigt) und Entlüftungsöffnungen (nicht gezeigt) fluidisch verbunden sein.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist der Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanals 74, der den Fluidauslass 72 der Kompressionskammer 62 mit dem Fluideinlass 76 der Auffangkammer 64 fluidisch verbindet, größer als der Strömungsquerschnitt des Fluidkanals 68, der den Fluidauslass 66 der Einlasskammer 60 mit dem Fluideinlass 70 der Kompressionskammer 62 verbindet. Somit bietet der zweite Fluidkanal 74 einem Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer 62 zu der Auffangkammer 64 einen geringeren Strömungswiderstand als der erste Fluidkanal 68 für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer 62 zu der Einlasskanal 60.
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Eine Pumphöhe, über die eine Flüssigkeit von der Kompressionskammer 62 in die Auffangkammer 64 gepumpt werden kann, ist in 1 mit den Bezugszeichen 90 bezeichnet.
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Im Betrieb, der nachfolgend Bezug nehmend auf 2 erläutert wird, wird in einer Phase 1 zunächst ein Volumen einer Flüssigkeit in die Einlasskammer 60 (beispielsweise über den Einfüllbereich 80) eingebracht. Dabei befüllt sich der Einlasskanal 68 kapillar oder unterstützt durch eine Drehung des Fluidikmoduls mit einer niedrigen Drehfrequenz fniedrig. Nach dem Befüllen der Einlasskammer 60 wird die Drehfrequenz von der niedrigen Frequenz fniedrig auf eine hohe Frequenz fhoch erhöht. Aufgrund der durch diese Erhöhung der Drehfrequenz wirkenden Zentrifugalkraft Fz wird die Flüssigkeit von der Einlasskammer 60 durch den Einlasskanal 68 in die Kompressionskammer 62 und in den Auslasskanal 74 gedrückt. Die Frequenz fhoch ist dabei ausreichend hoch, um eine solche Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit auszuüben, dass dadurch ein in der Kompressionskammer 62 befindliches kompressibles Medium, beispielsweise Luft, komprimiert wird, wie in Phase 2 der 2 angedeutet ist. Durch diese Komprimierung erhöht sich der Druck in der Kompressionskammer 62 von einem Druck p1, wie er in Phase 1 in 2 gezeigt ist, zu einem Druck p2, wie er in Phase 2 in 2 gezeigt ist. Bei einer konstanten Drehfrequenz nehmen die Füllstände der Flüssigkeit in dem Einlasskanal 68, dem Auslasskanal 74 und der Kompressionskammer 62 einen Gleichgewichtszustand bzw. eine Gleichgewichtsposition ein, wie den Füllständen in Phase 2 in 2 zu entnehmen ist.
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Ausgehend von diesem Zustand wird in der in 2 gezeigten Phase 3 die Drehfrequenz so rasch gesenkt, so dass der Druck in der Kompressionskammer 62 abgebaut wird, indem der Großteil der Probenflüssigkeit über den Pfad des geringsten Widerstands entweicht. Dieser Pfad des geringsten Widerstands ist der Auslasskanal 74, der für den Flüssigkeitsfluss zu der Auffangkammer 64 einen geringeren Strömungswiderstand bietet als der Einlasskanal 68 für einen Flüssigkeitsfluss zu der Einlasskammer 60. Entsprechend des Abbaus des Drucks p3 in der Kompressionskammer 62 dehnt sich die Luft in der Kompressionskammer 62 aus.
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Die niedrige Drehfrequenz fniedrig kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung auch null werden oder negative Werte annehmen, was eine umgekehrte Drehrichtung bedeutet.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Fluidikmodul monolithisch realisiert sein. Ausführungsbeispiele der Erfindung können für ein Pumpen beliebiger Probenflüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Blut oder sonstige Suspensionen, ausgelegt sein. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen, dass bei einer Drehfrequenz im Bereich von 6 Hz als niedriger Drehfrequenz und im Bereich von 75 Hz als hoher Drehfrequenz und einer Drehentschleunigung im Bereich von 32 Hz/s eine Wasserprobe von 200 μL innerhalb von ca. 3 Sekunden zu 75% über eine Pumphöhe von ca. 400 mm radial einwärts befördert werden kann.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist lediglich ein Einlasskanal 68 und ein Auslasskanal 74 vorgesehen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können mehrere Einlasskanäle zwischen der Einlasskammer 60 und der Kompressionskammer 62 und/oder Auslasskanäle zwischen der Kompressionskammer 62 und der Auffangkammer 64 vorgesehen sein.
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Wie in 1 gezeigt ist, befindet sich der Fluidauslass 66 bezüglich des Rotationszentrums 52 radial weiter innen als der Fluideinlass 70 der Kompressionskammer 62, so dass der Einlasskanal 68 radial abfällt. Der Fluidauslass 72 der Kompressionskammer 62 befindet sich radial weiter außen als der Fluideinlass 76 der Auffangkammer 64, so dass der Fluidkanal 74 radial ansteigt.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die gesamte Auffangkammer 64 radial weiter innen als die Einlasskanal 60. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine radial nach innen gerichtete Netto-Pumpwirkung.
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Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Fluidkanal 74 auch radial abfallende Abschnitte aufweisen. Beispielsweise kann der Fluidkanal 74 einen Siphon aufweisen, über den die Kompressionskammer 62 mit der Auffangkammer 64 fluidisch verbunden ist. Der Auslass dieses Siphons kann radial weiter außen liegen als der Fluidauslass der Kompressionskammer 62, wobei die Kompressionskammer nach einem Befüllen (Primen) des Siphon, das durch das Absenken der Drehfrequenz erfolgt, über eine Sogwirkung in dem Siphon entleert werden kann.
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5 zeigt alternative Fluidikstrukturen eines Ausführungsbeispiels eines Fluidikmoduls. Dabei weist eine Kompressionskammer 162 nur eine Fluidöffnung 163 auf, die als Fluideinlass/auslass bezeichnet werden kann. Ein erster Fluidkanal 168 ist zwischen dem Fluidauslass 66 einer ersten Kammer (Reservoir) 160 und der Kompressionskammer 162 vorgesehen und ein zweiter Fluidkanal 174 ist zwischen der Kompressionskammer 162 und dem Fluideinlass 76 einer zweiten Kammer (Sammelkammer) 164 vorgesehen. Die Kammern 160 und 164 können wiederum mit einem entsprechenden Einfüllbereich 80 und Entlüftungsbereichen 82 und 84 versehen sein. Wie in 5 gezeigt ist, münden der erste Fluidkanal 168 und der zweite Fluidkanal 174 in einen Kanalabschnitt 165, der mit der Fluidöffnung 163 fluidisch verbunden ist. Mittels der in 5 gezeigten Fluidikstruktur kann ein Einwärtspumpen auf eine zu der oben bezüglich der 1 und 2 beschriebene analoge Weise implementiert werden, indem das Fluidikmodul mit entsprechenden Rotationen beaufschlagt wird. Die Erläuterungen gelten somit für das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel entsprechend.
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Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird somit in einem Rotor Flüssigkeit radial einwärts gepumpt. Dabei wird zunächst bei einer hohen Drehfrequenz Flüssigkeit durch einen oder mehrere enge Einlasskanäle (die einen hohen hydrodynamischen Widerstand bieten) radial nach außen in eine Kammer gepumpt, in der ein kompressibles Medium eingeschlossen und komprimiert wird. Gleichzeitig füllen sich ein oder mehrere weitere Auslasskanäle (die einen geringen hydrodynamischen Widerstand bieten), welche mit der Kompressionskammer und mit einer radial innen liegenden Auffangkammer verbunden sind. Durch eine rasche Entschleunigung des Rotors auf eine geringe Drehfrequenz dehnt sich das kompressive Medium wieder aus. Dabei wird der Großteil der Flüssigkeit durch den oder die Auslasskanäle in die Auffangkammer gepumpt, während lediglich ein geringer Anteil der Flüssigkeit in den Einlasskanal (oder die Einlasskanäle) zurückgepumpt wird.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Pumpvorgang durch eine zusätzliche Ausdehnung des kompressiblen Mediums in der Kompressionskammer unterstützt werden. Eine solche zusätzliche Ausdehnung kann thermisch induziert sein, indem eine entsprechende Heizung vorgesehen wird. Alternativ kann eine solche zusätzliche Ausdehnung durch eine Gasentwicklung aufgrund chemischer Reaktionen ausgelöst werden. Wiederum alternativ kann eine solche Ausdehnung durch eine zusätzliche externe Druckerzeugung mittels einer entsprechenden Druckquelle unterstützt werden.
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Wie oben ausgeführt wurde, können die unterschiedlichen Strömungswiderstände dadurch erreicht werden, dass der Einlasskanal einen geringeren Flussquerschnitt aufweist als der Auslasskanal, so dass der enge Einlasskanal einen hohen Widerstand für die zu prozessierende Flüssigkeit darstellt, während der weite Auslasskanal einen sehr geringen Widerstand darstellt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen könnte der Strömungswiderstand durch eine entsprechende Einstellung der Längen des Einlasskanals und des Auslasskanals erreicht werden, da der Strömungswiderstand bekanntermaßen neben dem Strömungsquerschnitt auch von der Länge eines Fluidkanals abhängt.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit ein passives Einwärtspumpen in Zentrifugenrotoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden stellt die vorliegenden Erfindung eine passive Methode dar, die keine zusätzlichen Medien (Flüssigkeit, Wachs usw.) im Rotor und keine zusätzliche externen Elemente, wie z. B. Druckquellen oder Heizquellen, benötigt und folglich mit geringem Aufwand und geringeren Kosten verbunden ist. Solche externen Elemente können bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung lediglich unterstützend vorgesehen sein. Des Weiteren ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein deutlich schnelleres Pumpen als bisherige Methoden, wobei lediglich einige Sekunden für wenige 100 μL benötigt werden, im Gegensatz zu einigen Minuten gemäß bekannten Verfahren. Ferner ist die vorliegenden Erfindung vorteilhaft dahin gehend, dass das Pumpverfahren mittels der beschriebenen fluidischen Struktur beliebig oft wiederholt werden kann.
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Es ist für Fachleute offensichtlich, dass die beschriebenen Fluidikstukturen nur spezifische Ausführungsbeispiele darstellen und dass alternative Ausführungsbeispiele in Größe und Form abweichen können. Von den beschriebenen Fluidikstrukturen und Drehfrequenzen abweichende Fluidikstrukturen und Drehfrequenzen, die zum Einwärtspumpen eines gewünschten Flüssigkeitsvolumens entsprechend des erfindungsgemäßen Ansatzes geeignet sind, sind Fachleuten ohne weiteres ersichtlich. Ferner ist es für Fachleute offensichtlich, wie das Volumen der Kompressionskammer und die Strömungswiderstände der Fluidkanäle implementiert werden können, um die erfindungsgemäße Wirkung zu erreichen.
