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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Kombinationen zumindest einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit, wobei die Kombinationen unterschiedliche Verhältnisse der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit aufweisen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Vorrichtung zur Erzeugung von Kombinationen.
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Kombinationen bzw. Gemische aus unterschiedlichen Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Mischverhältnissen werden in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt, beispielsweise zur Herstellung von Verdünnungen. Eine Automatisierung von Verdünnungen kann von Hand oder automatisiert mittels Pipettierrobotern erfolgen. Um aussagekräftige Ergebnisse erzielen zu können, ist es allerdings wichtig, zu vermessende Probenkonzentrationen genauestens zu erreichen. Insbesondere bei Probenvolumina von weniger als einem Mikroliter wird dies zunehmend zu einem Problem.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, um Flüssigkeiten mit dem Hintergrund einer Verdünnung auf einer zentrifugalen Plattform zu kombinieren.
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Beispielsweise ist in der
US 2007/0189927 A1 eine Vorrichtung beschrieben, bei der Flüssigkeiten individuell aliquotiert werden. Dabei werden verschieden große Aliquots von Puffer und Reagenz erzeugt, welche miteinander kombiniert werden und in Reaktionskammern überführt werden. Entsprechende Fluidikstrukturen sind in einer Schicht eines Rotationskörpers gebildet.
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Gemäß der
US 2004/0203136 A1 werden Flüssigkeiten kombiniert, indem über entsprechende Verteilstrukturen die unterschiedlichen Flüssigkeiten in jeweils eine Dosierkammer eingebracht werden. Aus diesen Dosierkammern können die Flüssigkeiten über kapillare Übergänge und Mikrokanäle in eine Erfassungskammer überführt werden. Es erfolgt ein Mischen und Abmessen von mehreren Flüssigkeiten, wobei die Flüssigkeiten gemeinsam abgemessen werden. Um verschiedene Verdünnungsstufen zu erreichen, werden unterschiedliche Volumina der individuellen Aliquots erzeugt. Es wird jeweils ein Aliquot einer Flüssigkeit mit einem Aliquot einer oder mehrerer anderer Flüssigkeiten kombiniert.
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Aus der
US 2008/0193336 A1 ist ein zentrifugal-mikrofluidisches System zur Erzeugung von Verdünnungen beschrieben, bei dem Flüssigkeiten nacheinander in verschiedenen Verhältnissen in einer Mischkammer kombiniert und jeweils in verschiedene Endkavitäten überführt werden. Flüssigkeiten können in einer zentralen Mischkammer gemischt werden. Das Mischungsverhältnis wird hierbei durch mehrere Kanäle bestimmt, die in definierter radialer Höhe Flüssigkeiten aus Einfüllkammern in die Mischkammer überführen. Alternativ können mehrere Einfüllkammern verwendet werden, deren Inhalt seriell jeweils nach dem Öffnen eines Ventils in die Mischkammer überführt wird. Die erzeugte Mischung kann anschließend in Endkammern weitergeleitet werden. Um die entsprechenden fluidischen Wege zu öffnen oder zu schließen, sind Wachsventile integriert, die aktiv über einen externen Laser aufgeschmolzen werden müssen. Die Volumina und die Verdünnungen sind durch das mikrofluidische Design der Vorrichtung vorgegeben und können nicht nachträglich verändert werden.
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Aliquotierstrukturen mit einem im Wesentlichen azimutal verlaufenden Verteilkanal, der eine radiale Komponente in Flussrichtung aufweist, so dass Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft durch denselben getrieben werden kann, sind aus der
DE 10 2008 003 979 B3 bekannt. Eine Aliquotierung über einen zentrifugal befüllten Verteilkanal ist ferner in der
US-B2-6,752,961 beschrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Kombinationen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Vorrichtung zu schaffen, die genau sind und einen hohen Durchsatz ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und Verfahren gemäß den Ansprüchen 12 und 13 gelöst.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kombinationen aus zumindest einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit mit unterschiedlichen Verhältnissen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit, mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Aliquotierstruktur, die ausgelegt ist, um eine erste Flüssigkeit in eine Mehrzahl von zugeordneten ersten Dosierkammern eines ersten Volumens zu verteilen;
einer zweiten Aliquotierstruktur, die ausgelegt ist, um eine zweite Flüssigkeit in eine Mehrzahl von zugeordneten zweiten Dosierkammern eines zweiten Volumens zu verteilen;
einer ersten Kanalstruktur, die eine erste Anzahl der ersten Dosierkammern und eine zweite Anzahl der zweiten Dosierkammern mit einer ersten Kammer fluidisch verbindet; und
eine zweite Kanalstruktur, die eine dritte Anzahl der ersten Dosierkammern und eine vierte Anzahl der zweiten Dosierkammern mit einer zweiten Kammer fluidisch verbindet,
wobei sich das Verhältnis von der ersten Anzahl zu der zweiten Anzahl von dem Verhältnis von der dritten Anzahl zu der vierten Anzahl unterscheidet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zur Erzeugung von Kombinationen aus zumindest einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit mit unterschiedlichen Verhältnissen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit, mit folgenden Merkmalen:
Rotieren eines Fluidikmoduls mit einer Drehfrequenz, um eine erste Flüssigkeit in eine Mehrzahl von einer ersten Aliquotierstruktur zugeordneten ersten Dosierkammern eines ersten Volumens zu verteilen und um eine zweite Flüssigkeit in eine Mehrzahl von einer zweiten Aliquotierstruktur zugeordneten zweiten Dosierkammern eines zweiten Volumens zu verteilen;
Ändern der Drehfrequenz, um die Flüssigkeitsvolumen aus einer ersten Anzahl der ersten Dosierkammern, die über eine erste Kanalstruktur mit einer ersten Kammer fluidisch verbunden sind, in die erste Kammer zu treiben, um die Flüssigkeitsvolumen aus einer zweiten Anzahl der zweiten Dosierkammern, die über die erste Kanalstruktur mit der ersten Kammer fluidisch verbunden sind, in die erste Kammer zu treiben, um die Flüssigkeitsvolumen aus einer dritten Anzahl der ersten Dosierkammern, die über eine zweite Kanalstruktur mit einer zweiten Kammer fluidisch verbunden sind, in die zweite Kammer zu treiben, und um die Flüssigkeitsvolumen aus einer vierten Anzahl der zweiten Dosierkammern, die über die zweite Kanalstruktur mit der zweiten Kammer fluidisch verbunden sind, in die zweite Kammer zu treiben,
wobei sich das Verhältnis von der ersten Anzahl zu der zweiten Anzahl von dem Verhältnis von der dritten Anzahl zu der vierten Anzahl unterscheidet, so dass Kombinationen mit unterschiedlichen Verhältnissen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit in den Kammern erzeugt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Erzeugung von Kombinationen aus zumindest einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit mit unterschiedlichen Verhältnissen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit, mit folgenden Merkmalen:
Erzeugen einer ersten Aliquotierstruktur, die ausgelegt ist, um eine erste Flüssigkeit in eine Mehrzahl von zugeordneten ersten Dosierkammern eines ersten Volumens zu verteilen;
Erzeugen einer zweiten Aliquotierstruktur, die ausgelegt ist, um eine zweite Flüssigkeit in eine Mehrzahl von zugeordneten zweiten Dosierkammern eines zweiten Volumens zu verteilen;
Auswahlen einer ersten Anzahl der ersten Dosierkammern und einer zweiten Anzahl der zweiten Dosierkammern, um ein erstes Verhältnis der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit zu ergeben;
Auswählen einer dritten Anzahl der ersten Dosierkammern und einer vierten Anzahl der zweiten Dosierkammern, um ein zweites Verhältnis der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit zu ergeben, das sich von dem ersten Verhältnis unterscheidet;
Erzeugen einer ersten Kanalstruktur, die die erste Anzahl der ersten Dosierkammern und die zweite Anzahl der zweiten Dosierkammern mit einer ersten Kammer fluidisch verbindet; und
Erzeugen einer zweiten Kanalstruktur, die die dritte Anzahl der ersten Dosierkammern und die vierte Anzahl der zweiten Dosierkammern mit einer zweiten Kammer fluidisch verbindet.
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Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden somit zur Erzeugung von Kombinationen bzw. Gemischen mehrere Aliquotierstrukturen verwendet, die jeweils eine Mehrzahl (beispielsweise mehr als 30 oder 50) von Dosierkammern eines gleichen Volumens aufweisen. Um verschiedene. Verhältnisse zu erzeugen, sind somit solche Anzahlen von Dosierkammern von mehreren Aliquotierstrukturen mit den verschiedenen Kammern verbunden, dass das Verhältnis von erster Anzahl zu zweiter Anzahl von dem Verhältnis von dritter Anzahl zu vierter Anzahl verschieden ist. Dadurch ist es möglich, auf der Grundlage von Aliquotierstrukturen, die Dosierkammern mit identischem Volumen aufweisen, unterschiedliche Verhältnisse zu erzeugen.
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Bei Ausführungsbeispielen müssen, um die erzeugten Verhältnisse zu ändern, die Aliquotierstrukturen nicht verändert werden, sondern können gleich bleiben, wobei lediglich die Kanalstrukturen, durch die die Dosierkammern mit den Kammern fluidisch verbunden sind, geändert werden müssen, um die Anzahl der mit der jeweiligen Kammer verbundenen Dosierkammern zu ändern, um ein gewünschtes Verhältnis zu erreichen.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung stellen die Kammern, mit denen die Kanalstrukturen verbunden sind, Mischkammern dar, in denen ein Mischen der Flüssigkeiten stattfindet, so dass die erzeugten Kombinationen Gemische mit entsprechenden Mischverhältnissen sind.
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Ausführungsbeispiele weisen eine größere Anzahl von entsprechenden Aliquotierstrukturen auf und umfassen beispielsweise eine dritte Aliquotierstruktur, die ausgelegt ist, um eine dritte Flüssigkeit in eine Mehrzahl von zugeordneten dritten Dosierkammern eines dritten Volumens zu verteilen, wobei die erste Kanalstruktur ferner eine fünfte Anzahl der dritten Dosierkammern mit der ersten Kammer verbindet und die zweite Kanalstruktur ferner eine sechste Anzahl der dritten Dosierkammern mit der zweiten Kammer verbindet. Somit können in den Kammern verschiedene Verhältnisse von drei unterschiedlichen Flüssigkeiten erzeugt werden, wobei bei solchen Ausführungsbeispielen der Anteil einer Flüssigkeit auch null sein kann, indem mit einer entsprechenden Kammer keine der Dosierkammern für diese Flüssigkeit verbunden sind.
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Allgemein schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine entsprechende Vorrichtung, die n Aliquotierstrukturen aufweist, von denen jede ausgelegt ist, um eine von n Flüssigkeiten in eine Mehrzahl von zugeordneten Dosierkammern eines gleichen Volumens zu verteilen, wobei m Kanalstrukturen vorgesehen sind, von denen jede bestimmte Anzahlen von Dosierkammern von zumindest zwei der Aliquotierstrukturen mit einer von m Kammern verbindet, wobei n und m natürliche Zahlen größer oder gleich zwei sind, wobei jeweilige Verhältnisse von zumindest zwei der n Flüssigkeiten in den jeweiligen Kammern durch die Anzahl der Dosierkammern jeder der Aliquotierstrukturen, die über eine entsprechende Kanalstruktur mit der Dosierkammer verbunden sind, eingestellt sind. Somit schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf eine flexible Weise die Möglichkeit, Kombinationen bzw. Gemische mit unterschiedlichen Verhältnissen einer Vielzahl von Flüssigkeiten zu erzeugen.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist zwischen jeder der Dosierkammern und der jeweiligen Kanalstruktur ein Ventil angeordnet, wobei die einer, mehreren oder allen der Aliquotierstrukturen zugeordneten Ventile ausgelegt sind, um gleichzeitig zu schalten. Somit ist es bei Ausführungsbeispielen der Erfindung möglich, gleichzeitig alle Dosierkammern einer Aliquotierstruktur, mehrerer der Aliquotierstrukturen oder aller Aliquotierstrukturen gleichzeitig zu schalten, wodurch die Erzeugung von Kombinationen bzw. Gemischen mit einem hohen Durchsatz möglich wird.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Aliquotierstrukturen in einer ersten Seite eines Körpers gebildet sein, wobei die Kanalstrukturen den Körper durchdringende Öffnungen und Abschnitte, die in einer der ersten Seite des Körpers gegenüberliegenden zweiten Seite des Körpers gebildet sind, aufweisen können. Die Kammern können wiederum in der ersten Seite des Körpers gebildet sein. Somit ist eine platzsparende Anordnung der Fluidikstrukturen in einem Körper möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen entsprechende Vorrichtungen und Verfahren für eine zentrifugale Plattform. Bei Ausführungsbeispielen können die Aliquotierstrukturen, die Kanalstrukturen und die Kammern in einem Fluidikmodul, beispielsweise einer Disk, angeordnet sein, das für eine Rotation um eine Rotationsachse ausgelegt ist, wobei die Aliquotierstrukturen jeweils einen zentrifugal befüllbaren Verteilkanal aufweisen, dessen Einlassende mit einer Einfüllkammer verbunden ist und dessen Auslassende in eine Überlaufkammer mündet, wobei sich die zugeordneten Dosierkammern an unterschiedlichen Positionen von dem Verteilkanal bezüglich der Rotationsachse radial nach außen erstrecken, wobei bei einer zentrifugalen Befüllung des Verteilkanals ein definiertes Flüssigkeitsvolumen in jede der Dosierkammern gelangt und der Rest in die Überlaufkammer abläuft. Somit ist es möglich, definierte Flüssigkeitsvolumina in den einzelnen Dosierkammern zu erzeugen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weisen die einer jeweiligen Aliquotierstruktur zugeordneten Dosierkammern ein identisches Volumen auf, während bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Dosierkammern mehrere Aliquotierstrukturen oder aller Aliquotierstrukturen ein identisches Volumen aufweisen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit auf einfache Weise ein gleichzeitiges zentrifugales Aliquotieren verschiedener Flüssigkeiten durch das Vorsehen paralleler Aliquotierstrukturen.
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Bei solchen Ausführungsbeispielen können die Verteilkanäle einen bogenförmigen, im Wesentlichen azimutalen Verlauf aufweisen, wobei die Verteilkanäle der Aliquotierstrukturen in radialer Richtung nebeneinander angeordnet sein können. Bei Ausführungsbeispielen können die Verteilkanäle einen bogenförmigen, im Wesentlichen azimutalen Verlauf mit einem radialen Gefälle aufweisen. Anders ausgedrückt können die Aliquotierstrukturen einen im Wesentlichen kreissegmentförmigen Verlauf aufweisen und bezüglich der Rotationsachse im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sein (wobei der eigentliche Verlauf der Verteilkanäle einen Abschnitt einer Spirale darstellen kann, wenn die Verteilkanäle ein radiales Gefälle aufweisen).
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Wenn die Verteilkanäle kein radiales Gefälle aufweisen, können diese befüllt werden, indem der (kurze) radiale Kanal, der den azimutal verlaufenden Abschnitt des Verteilkanals mit der Einfüllkammer verbindet, durch die Einfüllkammer verlassende Flüssigkeit gefüllt wird. Dadurch wird ein definierter hydrostatischer Druck auf den sich in dem Verteilkanal gebildeten Meniskus ausgeübt. Somit kann eine definierte Befüllung von Verteilkanal und Dosierkammern erreicht werden
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Bei Ausführungsbeispielen ist zwischen jeder der Dosierkammern und der jeweiligen Kanalstruktur ein Ventil angeordnet, wobei die einer, mehreren oder allen der Aliquotierstrukturen zugeordneten Ventile ausgelegt sind, um bei einer Änderung einer Drehfrequenz von einer ersten Drehfrequenz, bei der die Ventile verhindern, dass Flüssigkeit aus der Dosierkammer in die Kanalstruktur gelangt, zu einer zweiten Drehfrequenz, bei der die Ventile ermöglichen, dass sich die Dosierkammer in die Kanalstruktur entleert, gleichzeitig zu schalten. Ausführungsbeispiele ermöglichen somit ein paralleles Entleeren der Dosierkammern, was den Durchsatz erhöht.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Ventile passive Ventile sein, die abhängig von einer Drehzahl einen Flüssigkeitsfluss ermöglichen oder nicht. Diese können durch beliebige Strukturen implementiert sein, die für einen Flüssigkeitsfluss bei einer ersten Drehzahl ein unüberwindliches Hindernis darstellen, während sie bei einer zweiten Drehzahl einen Flüssigkeitsfluss ermöglichen. Beispiele solcher Ventile umfassen kapillare Übergänge, hydrophobe Flussengstellen, Siphon-Strukturen und dergleichen.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Kammer für ein zentrifugopneumatisches Mischen von Flüssigkeiten ausgelegt sein, so dass durch einen zentrifugalen Antrieb nicht nur die Erzeugung einer Kombination der Flüssigkeiten möglich ist, sondern ein Gemisch derselben mit einer guten Durchmischung erzeugt wird.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Vorrichtung eine entsprechende Antriebseinrichtung auf, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul in einer ersten Phase mit einer Rotation zu beaufschlagen, um definierte Flüssigkeitsvolumina aus den Einfüllkammern über den Verteilkanal in die Dosierkammern zu verteilen, um die Drehfrequenz des Fluidikmoduls zu ändern, um dadurch die Flüssigkeitsvolumen aus den Dosierkammern durch die Kanalstruktur in die Kammern zu treiben, und um die Drehfrequenz des Fluidikmoduls mehrmals zu erhöhen und zu verringern, um ein zentrifugopneumatisches Mischen der Flüssigkeiten in den Kammern zu bewirken. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein automatisiertes Verfahren unter Verwendung eines zentrifugalen Antriebs.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit die Erzeugung von verschiedenen Verhältnissen mehrerer Flüssigkeiten auf einer zentrifugalen Plattform. Die Flüssigkeiten können dabei parallel aliquotiert und kombiniert werden. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen werden bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Verdünnungsstufen nicht durch eine Anpassung der Aliquotiervolumina definiert. Vielmehr werden unterschiedliche Verdünnungsstufen stattdessen durch eine Kombination unterschiedlich vieler Dosierkammern (Aliquotiereinheiten) der einzelnen Flüssigkeiten erzielt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen eine parallele Verdünnung kleinster Probenvolumina (< 250 nl), welche sich mit Pipettierrobotern nicht mehr zuverlässig erreichen lassen. Insbesondere bei sehr wertvollen und seltenen Proben kann die Methode somit vorteilhaft sein und den Durchsatz gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Erzeugung von Verdünnungen bzw. Verdünnungsreihen aus verschiedenen Flüssigkeiten, was eine Standardanwendung in einer Vielzahl von biologischen, medizinischen oder chemischen Anwendungen darstellt. Beispielsweise kann die Erfindung zur Erzeugung mehrdimensionaler Verdünnungen von Proteinlösungen zum Finden von optimalen Kristallisierungsbedingungen verwendet werden. Beispielsweise kann die Erfindung zur Verdünnung von Antikörpern für immunodiagnostische Anwendungen zur Einstellung eines Arbeits- oder Detektionspunktes eines ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) oder eines kompetitiven Immunoassays sowie der Herstellung einer Verdünnungsreihe einer bekannten Probe zur Kalibrierung des Assays selbst verwendet werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung können zur Verdünnung von Inhibitoren und zur Bestimmung der konzentrationsbedingten Auswirkung auf die Enzymaktivität etwa zur Ermittlung des IC50-Wertes verwendet werden. Weiterhin können Ausführungsbeispiele der Erfindung zur Bestimmung von Dosis-Wirkungsbeziehungen zur Ermittlung von Minimaldosen und zur Untersuchung der allgemeinen Abhängigkeit zwischen Dosis und der zu untersuchenden Wirkung verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass nur eine Aliquotierstruktur bezüglich Befüllung und Entleerung optimiert werden muss. Diese Aliquotierstruktur kann die Grundlage der bei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendeten mehreren Aliquotierstrukturen bilden, die insofern einen identischen Aufbau aufweisen und somit gleichzeitig durch einen entsprechenden Antrieb befüllt und entleert werden können. Diese Aliquotierstruktur kann ferner die Grundlage einer Vielzahl unterschiedlicher Verhältnisse bzw. Mischverhältnisse sein, da zur Einstellung anderer Verhältnisse lediglich die Kanalstrukturen geändert werden müssen, nicht jedoch die Aliquotierstruktur bzw. die Aliquotierstrukturen selbst. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind vorteilhaft, da sie eine hohe Zuverlässigkeit bieten und mit einem einfachen Frequenzprotokoll betreibbar sind, da passive Ventile bei identischer Drehfrequenz schalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen eine einfache Anpassung an eine neue Verdünnungsmatrix, da nur die Anzahl der einzelnen, zu kombinierenden Aliquots angepasst werden muss. Ausführungsbeispiele sind ferner vorteilhaft dahin gehend, dass systematische Fehler beim Aliquotieren durch einen Schrumpf bei der Fertigung, durch ein Durchbiegen einer Deckelfolie, mit der in einem Körper gebildete Fluidikstrukturen abgedeckt sind, und durch Kapillareffekte in allen Dosierkammern (Aliquotiereinheiten) der jeweiligen Struktur gleich sind. Dadurch ist der Einfluss dieser systematischen Fehler auf die Endkonzentration der Verdünnung minimiert.
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Durch Ausführungsbeispiele der Erfindung können Nachteile, wie sie beim Stand der Technik auftreten, ausgeräumt werden. So ist es erfindungsgemäß möglich, Endkombinationen zweier Flüssigkeiten von drei Flüssigkeiten zu erreichen, ohne dass die Kombinationen aus den zwei Flüssigkeiten mit der dritten Flüssigkeit kontaminiert werden. Diesbezüglich ist es durch geometrische Restriktionen in der
US 2007/0189927 A1 nicht möglich, Endkombinationen zwischen jeweils zwei der Flüssigkeiten zu erreichen, ohne mindestens eine der Flüssigkeitskombination zwischen zwei Flüssigkeiten mit der dritten Flüssigkeit zu kombinieren. Gegenüber der
US 2004/0203136 A1 ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein deutlich weniger komplexes Gesamtsystem mit kürzeren Verbindungskanälen. Große Totvolumina sowie eine verstärkte Proteinabsorption durch ein hohes Oberfläche-zu-Volumenverhältnis können dadurch vermieden werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind vorteilhaft dahin gehend, dass sie geringere Einzelvolumina der Dosierkanäle ermöglichen und weniger abhängig von Kapillarkräften sind. Gemäß dem Stand der Technik ist ferner ein komplexes Frequenzprotokoll notwendig, da Ventile nacheinander und nicht gleichzeitig schalten. Bei der
US 2008/0193336 A1 sind ferner komplexe Wachsventilschalter erforderlich.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit auf einfache Weise die Erzeugung von Kombinationen bzw. Gemischen unterschiedlicher Flüssigkeiten mit einem hohen Durchsatz und einer hohen Flexibiliät.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine schematische Draufsicht auf einen Rotationskörper gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 und 5 schematische Seitenansichten von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen; und
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6 schematische Aliquotierergebnisse für verschiedene Flüssigkeiten.
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Bezug nehmend auf 1 werden nachfolgend Fluidikstrukturen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Gemischen näher erläutert. Zunächst wird jedoch auf die 4 und 5 Bezug genommen.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines als ein Rotationskörper ausgebildetes Fluidikmoduls 210, das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Kombinationen von Flüssigkeiten darstellt. Der Rotationskörper 210 weist ein Substrat 212 und Deckel 214a und 214b auf beiden Seiten des Substrats 212 auf. Der Rotationskörper 210 kann in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 210 über eine übliche Befestigungseinrichtung 216 an einem rotierenden Teil 218 einer Antriebsvorrichtung 220 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 218 ist drehbar an einem stationären Teil 222 der Antriebsvorrichtung 220 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuervorrichtung 224 ist vorgesehen, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 220 zu steuern, um den Rotationskörper 210 mit Rotationen unterschiedlicher Rotationsgeschwindigkeiten zu beaufschlagen. Die Steuervorrichtung 224 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechende programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuervorrichtung 224 kann ausgelegt sein, um entsprechende Rotationsprotokolle automatisch zu durchlaufen. Die Steuereinrichtung 224 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 220 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall ist die Steuereinrichtung konfiguriert, um die Antriebsvorrichtung zu steuern, um den Rotationskörper mit den erforderlichen Rotationen zu beaufschlagen, um Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 220 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
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Der Rotationskörper 210 weist die zur Erzeugung von Kombinationen aus zumindest einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit erforderlichen Fluidikstrukturen, beispielsweise die Aliquotierstrukturen, die Kanalstrukturen und die Kammern (z. B. Mischkammern), auf. Beispielsweise können Teile der fluidischen Strukturen durch Kavitäten und Kanäle in einer Hauptoberfläche des Substrats 212 gebildet sein und andere Teile der fluidischen Strukturen können in der gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Substrats gebildet sein. Fluidische Strukturen, die in verschiedenen Hauptoberflächen des Körpers gebildet sind, können durch in dem Substrat gebildete Öffnungen miteinander verbunden sein. Alternativ können Teile der fluidischen Strukturen in einem oder beiden der Deckel 214a und 214b gebildet sein. Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen können in den Deckeln 214a und 214b gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 212 aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Bei Ausführungsbeispielen können die Deckel 214a, 214b aus einer Polymerfolie bestehen.
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Bei einem alternativen, in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als ein Fluidikmodul 232 implementiert, das ein in einen Rotor 30 einsetzbaren Einsatz darstellt, so dass das Fluidikmodul 232 mit dem Rotor 230 einen Rotationskörper 210' bildet. Das Fluidikmodul 232, von dem zwei in 5 gezeigt sind, kann wiederum jeweils durch ein Substrat und auf beiden Seiten des Substrats angeordnete Deckel implementiert sein, in dem bzw. denen wiederum die erforderlichen fluidischen Strukturen gebildet sein können. Der Rotationskörper 210' ist wiederum durch die Antriebsvorrichtung 220, die durch die Steuereinrichtung 224 gesteuert wird, mit den erforderlichen Rotationen beaufschlagbar.
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Bei Ausführungsbeispielen können der Rotationskörper 210' bzw. das Fluidikmodul 232, d. h. das Substrat und die Deckel, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), Polycarbonat, PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper bzw. das Fluidikmodul/können als zentrifugalmikrofluidische Plattform betrachtet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel von Fluidikstrukturen, die zur Erzeugung von Gemischen aus zumindest einer ersten Flüssigkeit und einer zweiten Flüssigkeit mit unterschiedlichen Mischverhältnissen geeignet sind, wird nun Bezug nehmend auf 1 erläutert.
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Die Fluidikstrukturen weisen eine erste Aliquotierstruktur 2, eine zweite Aliquotierstruktur 4 und eine dritte Aliquotierstruktur 6 auf. Eine Einlasskammer 8a, 8b und 8c ist fluidisch mit jeder der Aliquotierstrukturen 2, 4, 6 verbunden, wobei ein fluidisches Ventil 10 zwischen jeder der Kammern 8a bis 8c und der zugeordneten Aliquotierstruktur 2, 4, 6 vorgesehen sein kann, um im stationären Zustand eine fluidische Trennung zu implementieren. Jede der Aliquotierstrukturen weist einen Verteilkanal 12a, 12b, 12c auf, dessen Einlassende mit der zugeordneten Einfüllkammer und dessen Auslassende mit einer Überlaufkammer 14a, 14b, 14c verbunden ist. Die Überlaufkammern weisen Entlüftungen 16 auf. Die Verteilkanäle besitzen bezüglich einer Rotationsachse, die in 1 schematisch mit R bezeichnet ist, einen radial abfallenden Verlauf. Genauer gesagt verläuft jeder der Verteilkanäle 12a, 12b und 12c im Wesentlichen azimutal, hat jedoch eine radiale Komponente in Flussrichtung, so dass Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft durch denselben getrieben werden kann. Wie in 1 zu erkennen ist, sind die Verteilkanäle 12a, 12b und 12c in radialer Richtung nebeneinander angeordnet. Jede Aliquotierstruktur weist ferner Dosierkammern eines jeweils gleichen Volumens auf, von denen jeweils nur eine schematisch mit den Bezugszeichen 18a, 18b und 18c bezeichnet ist. Die Dosierkammern sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch längliche, sich in radialer Richtung von dem zugeordneten Verteilkanal nach außen erstreckende Kammern gebildet. Die einem jeweiligen Verteilkanal zugeordneten Kammern weisen dabei ein gleiches Volumen auf. Ferner können die Dosierkammern, die mehreren oder allen der Verteilkanäle zugeordnet sind, ein gleiches Volumen aufweisen. Mit den in radialer Richtung außen liegenden Abschnitten der Fluidkammern sind über jeweilige Ventile 20a, 20b und 20c Kanalstrukturen, von denen einige schematisch mit den Bezugszeichen 22a, 22b und 22c bezeichnet sind, fluidisch gekoppelt.
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Die Ventile 20a, 20b und 20c können durch beliebige passive Ventile implementiert sein, die bei einer ersten Rotationsgeschwindigkeit verhindern, dass Flüssigkeit aus den Dosierkammern in die Kanalstrukturen gelangt, während sie bei einer zweiten Rotationsgeschwindigkeit ermöglichen, dass Flüssigkeit aus den Dosierkammern in die Kanalstrukturen gelangt. Beispielsweise können die Ventile durch kapillare Strukturen oder hydrophobe Strukturen gebildet sein, die bei einer geringen Drehzahl verhindern, dass Flüssigkeit durch dieselben gelangt, während sie bei einer höheren Drehzahl ermöglichen, dass Flüssigkeit die Ventile passiert. Alternativ können die Ventile durch Siphon-artige Strukturen implementiert sein, die bei einer geringen Drehzahl ermöglichen, dass Flüssigkeit passiert, während bei einer größeren Drehzahl verhindert ist, dass Flüssigkeit passiert, indem die Zentrifugalkraft in radial nach innen verlaufenden Abschnitten der Siphon-Struktur größer ist als die dort wirkende Kapillarkraft.
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Die Kanalstrukturen 22a, 22b und 22c verbinden jeweils eine bestimmte Anzahl von Dosierkammern der einzelnen Aliquotierstrukturen 2, 4 und 6 mit einer einer Mehrzahl von Mischkammern, von denen zwei schematisch mit den Bezugszeichen 24a und 24b bezeichnet sind. Die Mischkammern 24a, 24b sind über Siphon-Strukturen, von denen zwei mit den Bezugszeichen 26a und 26b bezeichnet sind, mit Messkammern 28a, 28b verbunden. Entlüftungen für die Mischkammern 24a, 24b und die Messkammern 28a, 28b sind wiederum mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet.
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Die Kanalstrukturen 22a, 22b und 22c können auf beliebige geeignete Weise ausgebildet sein, um jeweils eine bestimmte Anzahl von Dosierkammern von zumindest einer der ersten Aliquotierstruktur 2, der zweiten Aliquotierstruktur 4 und der dritten Aliquotierstruktur 6 mit einer jeweiligen Mischkammer zu verbinden. So können die Kanalstrukturen einen ersten Abschnitt aufweisen, von denen einige schematisch in 1 mit dem Bezugszeichen x bezeichnet sind, der über entsprechende Ventile 20a direkt mit einer bestimmten Anzahl von Dosierkammern 18a der ersten Aliquotierstruktur 2 fluidisch gekoppelt ist. Ferner können die Kanalstrukturen einen zweiten Abschnitt aufweisen, von denen einige schematisch mit dem Bezugszeichen y bezeichnet sind, der direkt über entsprechende Ventile 20b mit einer bestimmten Anzahl von Dosierkammern 18b der zweiten Aliquotierstruktur 4 fluidisch gekoppelt ist. Kanalstrukturen können ferner einen dritten Abschnitt, von denen einige schematisch mit dem Bezugszeichen z bezeichnet sind, aufweisen, der über entsprechende Ventile 20c direkt mit einer bestimmten Anzahl von Dosierkammern 18c der dritten Aliquotierstruktur 6 fluidisch verbunden ist. Entsprechende erste, zweite und dritte Abschnitte der Kanalstrukturen können über Kanäle, die an der Rückseite des Körpers, in denen die Fluidikstrukturen gebildet sind, vorgesehen sind, fluidisch verbunden sein. Einige solcher an der Rückseite vorgesehener Kanäle sind schematisch mit dem Bezugszeichen r bezeichnet. Öffnungen, von denen einige mit dem Bezugszeichen w bezeichnet sind, sind durch den Körper vorgesehen, um fluidische Strukturen auf der Vorderseite des Körpers mit fluidischen Strukturen auf der Rückseite des Körpers zu verbinden. Diese Öffnungen w sind in 1 als Kreise angedeutet. Ferner weisen die Kanalstrukturen in die jeweils zugeordnete Mischkammer mündende Abschnitte m auf.
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Die einzelnen Kanalstrukturen, die jeweiligen Dosierkammern der jeweiligen Aliquotierstrukturen mit einer jeweiligen Mischkammer verbinden, weisen nach Bedarf einen oder mehrerer dieser Abschnitte auf.
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So weist die Kanalstruktur für die erste Mischkammer von links einen dritten Abschnitt z auf, der mit sechs Dosierkammern 18c der dritten Aliquotierstruktur 6 gekoppelt ist sowie einen in die Mischkammer mündenden Abschnitt m. Die der vierten Mischkammer von links zugeordnete Kanalstruktur weist einen ersten Abschnitt x auf, der mit drei Dosierkammern 20a der ersten Aliquotierstruktur 2 fluidisch gekoppelt ist, einen zweiten Abschnitt y, der mit zwei Dosierkammern 18b der zweiten Aliquotierstruktur 4 fluidisch gekoppelt ist, und einen dritten Abschnitt z, der mit einer Dosierkammer 18c der dritten Aliquotierstruktur 6 fluidisch gekoppelt ist. Diese Abschnitte sind über entsprechende Durchgangslöcher w und rückseitige Kanäle r fluidisch miteinander verbunden und münden über einen Abschnitt m in die vierte Mischkammer von links.
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Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Kanalstrukturen können somit unterschiedliche Mischverhältnisse von ein, zwei oder drei Flüssigkeiten, die über die Einfüllöffnungen 8a, 8b und 8c eingebracht werden, in den Mischkammern 24a, 24b erzeugt werden.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Mischkammern ausgebildet, um ein zentrifugopneumatisches Mischen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck weist jede Mischkammer bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Teilkammern auf, von denen eine als Kompressionskammer 40 und eine als Sammelkammer 42 bezeichnet werden kann. Der Abschnitt m der jeweils zugeordneten Kanalstruktur mündet in die Sammelkammer 42. Die fluidische Verbindung zwischen den Kammern 40 und 42 ist ferner über eine Siphon-Struktur 26a, 26b mit der zugeordneten Messkammer 28a, 28b verbunden. Durch Durchlaufen eines entsprechenden Rotationsprotokolls kann bei einer solchen Anordnung ein zentrifugopneumatisches Mischen erreicht werden, indem in der Kompressionskammer 40 die eingeschlossene Luft abwechselnd komprimiert und dekomprimiert wird.
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Anhand von 2 wird nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, bei dem eine Proteinflüssigkeit in die Einfüllöffnung 8a, eine Screeningflüssigkeit in die Einfüllöffnung 8b und eine Pufferflüssigkeit in die Einfüllöffnung 8c eingebracht werden. Die in 2 gezeigten Fluidikstrukturen entsprechen den in 1 gezeigten Fluidikstrukturen, wobei vergrößerte Bereiche a, b und c in 2 dargestellt sind. Ferner sind in diesen vergrößerten Bereichen verschiedene Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen.
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Dabei zeigt der vergrößerte Abschnitt a einen Schritt des Rotierens mit einer Drehfrequenz, die eine Zentrifugalkraft FC zur Folge hat, durch die die Proteinflüssigkeit aus der Einfüllkammer 8a in den Verteilkanal 12a getrieben wird und die Dosierkammern 18a befüllt. Bei dieser Drehfrequenz sind die Ventile 20a geschlossen. Gleichzeitig können in diesem Schritt die zweite Aliquotierstruktur 4 mit der Screeningflüssigkeit und die dritte Aliquotierstruktur 6 mit der Pufferflüssigkeit befüllt werden. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine parallele Befüllung der Aliquotierstrukturen, was einen entsprechend erhöhten Durchsatz zur Folge haben kann.
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Nach dem Befüllen der Aliquotierstrukturen wird die Drehfrequenz erhöht, so dass die Ventile 20a, 20b und 20c öffnen und die entsprechenden Flüssigkeiten über die beschriebenen Kanalstrukturen in die zugeordneten Mischkammern gelangen. Dies ist schematisch in der Vergrößerung b dargestellt. Dabei ist eine erste Flüssigkeit, beispielsweise Pufferflüssigkeit, schwarz dargestellt, während eine zweite Flüssigkeit, beispielsweise Screeningflüssigkeit, grau dargestellt ist.
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Das Schalten der Ventile 20a, 20b, 20c kann beispielsweise durch Erhöhen der Rotationsfrequenz von einer geringen Rotationsfrequenz (beispielsweise 20 Hz) auf eine höhere Rotationsfrequenz (beispielsweise 60 Hz) erreicht werden, siehe Schritt 1 im Abschnitt b der 2. Auf ein in der Kompressionskammer 40 eingeschlossenes Gasvolumen, z. B. Luftvolumen, wirkt dabei ein Druck p+. Ausgehend von diesem Zustand erfolgt ein Erhöhen der Rotationsfrequenz, um den Druck in der Kompressionskammer 40 auf p++ zu erhöhen, siehe Schritt 2 im Abschnitt b der 2. Die Rotationsfrequenz kann dann abwechselnd erhöht und gesenkt werden, um Druckänderungen in der Kompressionskammer 40 zu bewirken, um dadurch ein zentrifugopneumatisches Mischen zu bewirken. Die Rotationsfrequenz bleibt bei diesem Mischen jedoch oberhalb einer Schwelle, unterhalb der der Siphon 26a kapillar und/oder volumengesteuert über eine Ausdehnung der Gasblase in der Kompressionskammer befüllt werden würde. Die Siphon-Struktur 26a, 26b muss nicht zwingend als Kapillare ausgebildet sein, da alleine die Ausdehnung der Gasblase in der Kompressionskammer 40 ausreichen kann, damit die Flüssigkeit den Siphonscheitel übersteigt. Nach Abschluss des Mischens wird die Rotationsfrequenz unter diese Schwelle beispielsweise auf 40 Hz gesenkt, siehe Schritt 3 im Abschnitt b der 2. Somit erfolgt eine kapillare Befüllung des Siphons 26a, so dass die Mischkammer schließlich über den Siphon 26a in die zugeordnete Messkammer 28a entleert wird.
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Der vergrößerte Abschnitt c der 2 zeigt unterschiedliche Mischverhältnisse, die schließlich in den jeweiligen Messkammern erhalten werden. Die erste Zahl gibt dabei jeweils die Anteile an Pufferlösung an, die zweite Zahl die Anteile an Screening-Lösung und die dritte Zahl die Anteile an Proteinlösung. Wie ohne Weiteres zu erkennen ist, können entsprechend unterschiedliche Mischverhältnisse erreicht werden, indem die Kanalstrukturen jeweils unterschiedliche Anzahlen der Dosierkammern, die den einzelnen Aliquotierstrukturen zugeordnet sind, mit den Mischkammern verbinden.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann somit unter Verwendung eines mikrofluidischen Substrats in einem Zentrifugenrotor unter definierten Drehfrequenzen eine vollautomatische Verdünnung von kleinsten Probenvolumina durchgeführt werden. Dabei können mehrere Flüssigkeiten unter geringer Zentrifugation parallel in verschiedene Aliquotierkammern identischer Volumina gedrückt werden. überflüssige Flüssigkeit fließt in einen Abfallkanal bzw. eine Überlaufkammer. Im Anschluss wird die Rotationsfrequenz erhöht, was dazu führt, dass die Flüssigkeiten aus den Dosierkammern bzw. Aliquotierkammern weitertransportiert werden. Durch die Verbindung von Kanalstrukturen, d. h. von mikrofluidischen Kanälen, kann nun gesteuert werden, welche Aliquots kombiniert werden. Durch Kombination in verschiedenen Verhältnissen entstehen dann verschiedene Verdünnungsstufen, beispielsweise zwei Aliquots einer Flüssigkeit A und vier Aliquots einer Flüssigkeit B führen zu einem Konzentrationsverhältnis von 1:2 zwischen der Flüssigkeit A und der Flüssigkeit B. Anschließend können die Flüssigkeiten durch oszillierende Rotationsfrequenzen gemischt werden. Dies erfolgt durch eine eingeschlossene Gasblase, welche sich durch den sich ändernden Zentrifugaldruck komprimiert und expandiert. Durch den entstehenden Fluss des Fluids kann somit ein beschleunigtes Mischen der Flüssigkeiten gemäß der Taylor-Dispersion erfolgen.
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Ausführungsbeispiele der beschriebenen Fluidikstrukturen können in einer zentrifugalen mikrofluidischen Plattform zur Proteinstrukturanalyse implementiert sein. Eine der größten Herausforderungen für die Strukturbiologie ist die Visualisierung makromolekularer Strukturen. Die Röntgen-Kleinwinkelstreuung (SAXS) macht es möglich, diese Strukturen direkt aus dem Streubild einer Lösung zu berechnen, ohne aufwendig Proteinkristalle herzustellen. Dies ist besonders nützlich für Screenings von Strukturänderungen durch Umgebungseinflüsse (pH, Salzkonzentration, ....). Allerdings verbrauchten bekannte Methoden hier immer noch mindestens 6 μl pro Messung an teilweise sehr teurer Proteinlösung und die Zeit pro Messung betrug mindestens drei Minuten. In den meisten Fallen machte dies einen Hochdurchsatz-Multi-Parameter-Screening impraktikabel.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Implementierung einer Screening-Plattform zur Kleinwinkelstreuanalyse, wie oben Bezug nehmend auf 2 erläutert wurde. Mit Hilfe einer zentrifugalmikrofluidischen Plattform, die entsprechenden Fluidikstrukturen aufweist, kann eine vollautomatische Proteinstrukturanalyse durchgeführt werden. Eine Proteinprobe eines Volumens von beispielsweise 2 μl, ein Verdünnungspuffer eines Volumens von beispielsweise 3 μl, und eine Screeningslösung eines Volumens von beispielsweise 3 μl können parallel in 120 Aliquots mit je 40 nl Volumen aufgeteilt werden. Von diesen können beispielsweise je sechs der Aliquots zu 20 unterschiedlichen Verhältnissen mit je 240 nl Volumen kombiniert werden. Die Kombinationen können dann durch Mischen mit Hilfe einer eingeschlossenen Luftblase, welche unter wechselnden Rotationsfrequenzen expandiert und sich zusammenzieht, homogenisiert werden. Die Analyse der Proben kann dann innerhalb einer SAXS-Strahlführung direkt auf dem Chip ausgeführt werden, indem die in die Messkammern überführten Kombinationen bzw. Gemische ausgewertet werden. Bei Ausführungsbeispielen ist es möglich, bis zu sieben verschiedene Screenings mit je 2 μl Proteinlösung in einem Durchlauf zu prozessieren. Gemäß dem Stand der Technik waren hierzu mehr als 30 μl Proteinlösung notwendig. Die zu erwartende Prozesszeit inklusive Auslösen sollte bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weniger als 15 Minuten betragen, während im Stand der Technik mehr als 7 Stunden erforderlich waren.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Rotationskörpers 10, der eine erfindungsgemäße Vorrichtung darstellt. Wie in 3 gezeigt ist, sind die Fluidikstrukturen, wie sie in 1 gezeigt sind, sechsmal in azimutaler Richtung wiederholt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Kanalstrukturen der sechs in 3 gezeigten fluidischen Strukturen untereinander unterschiedlich sein, um eine größere Anzahl unterschiedlicher Mischverhältnisse implementieren zu können. Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen könnte eine entsprechende Anzahl von Fluidikmodulen in einen Rotor eingesetzt sein, um eine entsprechende Verteilung von Fluidikstrukturen, wie sie in 3 gezeigt ist, zu erhalten.
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6 zeigt das Aliquotierergebnis für verschiedene Flüssigkeiten bei einem Zielvolumen von 40 nl. Die Eigenschaften der Flüssigkeiten decken den relevanten Bereich an Protein-, Glycerol- und Salzkonzentrationen für Kleinwinkelstreuexperimente ab.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine Verdünnungsstruktur auf einer zentrifugalen Plattform bestehend aus mehreren parallelen Aliquotierstrukturen. Volumina der Aliquots der einzelnen Flüssigkeiten werden konstant gehalten. Unterschiedliche Verdünnungen der Ausgangslösungen ergeben sich aus der Kombination dieser Aliquots in verschiedenen Verhältnissen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine Fluidikstruktur auf einer zentrifugalen Plattform zum parallelen Aliquotieren verschiedener Flüssigkeiten. Beliebig viele Aliquots verschiedener Flüssigkeiten werden zusammengeführt. Verschiedene Fluid- bzw. Verdünnungskombinationen können durch entsprechende Schritte hergestellt werden. Die zusammengeführten Aliquots können gemischt werden. Durch die Aliquotierstruktur werden Aliquots der Flüssigkeiten auf der Vorderseite des Substrats erzeugt und diese Aliquots werden in verschiedenen Verhältnissen durch Kanalstrukturen (Kombinationskanäle), die über die Rückseite des Substrats verlaufen können, zusammengeführt, indem 1 bis mi Aliquots einer Flüssigkeit mit 1 bis m2 Aliquots einer oder mehrerer weiterer Flüssigkeiten zusammengebracht werden können und durch einen Mischer, bevorzugt einen zentrifugopneumatischen Mischer, vermischt werden.
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Obwohl oben Bezug nehmend auf 1 ein spezifisches Ausführungsbeispiel von Fluidikstrukturen beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, dass alternative Ausgestaltungen möglich sind. So müssen die Fluidikstrukturen nicht notwendigerweise drei Aliquotierstrukturen umfassen, sondern können zwei oder auch eine größere Anzahl von Aliquotierstrukturen aufweisen. Ferner müssen bei alternativen Ausführungsbeispielen keine Kanäle über die Rückseite des Körpers geführt sein, sondern können bei entsprechender Anordnung auf der Vorderseite angeordnet sein. Eine Fluidführung über die Rückseite ermöglicht jedoch eine deutlich platzsparendere Anordnung. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Fluidikstrukturen in mehreren Schichten eines Rotationskörpers oder eines Fluidikmoduls angeordnet sein.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können überall dort Anwendung linden, wo ein oder mehrere Flüssigkeiten bzw. Lösungen in unterschiedlichen Verhältnissen miteinander kombiniert bzw. gemischt werden sollen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Vorrichtung, das abhängig von den gewünschten Verhältnissen der Flüssigkeiten in den Kombinationen bzw. Gemischen ein Auswählen entsprechender Anzahl von Dosierkammern umfasst, die über jeweilige Kanalstrukturen mit den Kammern bzw. Mischkammern verbunden werden. Die Aliquotierstrukturen können dabei unverändert bleiben, so dass für eine Implementierung von unterschiedlichen Verhältnissen lediglich eine entsprechende Anpassung der Kanalstrukturen notwendig ist.
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Neben den beschriebenen Aliquotierstrukturen sind andere Aliquotierstrukturen möglich. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten der Aliquotierstrukturen kann beispielsweise auch auf die oben genannten Schriften
DE 102008003979 B3 und die
US-B2-6,752,961 verwiesen werden, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
