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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines mikrofluidischen Chips sowie auf einen mikrofluidischen Chip.
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Mikrofluidische Chips können verwendet werden, um standardisierte Abläufe unter Verwendung von Fluiden reproduzierbar ablaufen zu lassen. Beispielsweise kann in einem mikrofluidischen Chip eine Probe auf Inhaltsstoffe untersucht werden. Ebenso können biologische Eigenschaften der Probe erfasst werden.
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Die
DE 10 2010 002 990 A1 beschreibt ein mikrofluidisches System für Analyse- und Diagnosezwecke sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 052 752 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis von molekularen Wechselwirkungen.
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Die Druckschrift US 2003 / 0 190 608 A1 offenbart mikrofluidische Vorrichtungen, die Biokanäle aufweisen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 017 596 A1 offenbart ein mikrofluidisches System und ein Verfahren für eine Polymerase Kettenreaktion.
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Die Druckschrift
US 2013/0130262 A1 offenbart eine mikrofluidische Kartusche zur Auswertung einer Probe.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines mikrofluidischen Chips sowie ein mikrofluidischer Chip gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei einem mikrofluidischen Chip oder einem mikrofluidischen System laufen Reaktionen zwischen Reaktanden innerhalb einer oder mehrerer Reaktionskammern ab. Zum Analysieren eines Ergebnisses der Reaktion kann eine Probe aus der Reaktionskammer entnommen werden und in einer Analysekammer analysiert werden.
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Wenn die Reaktion ein erfassbares Ergebnis innerhalb der Reaktionskammer produziert, kann die Analyse auch direkt innerhalb der Reaktionskammer erfolgen. Dann ist eine Probenentnahme unnötig.
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Um eine Beeinflussung des Ergebnisses durch unverbrauchte Reaktanden zu verringern bzw. minimieren, können die unverbrauchten Reaktanden während der Analyse aus der Reaktionskammer entfernt und in einer anderen Reaktionskammer zwischengelagert werden.
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Ohne die Beeinflussung durch unverbrauchte Reaktanden kann das Ergebnis unter Verwendung einfacher und günstiger Analysemethoden erfasst werden.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines mikrofluidischen Chips vorgestellt, wobei der mikrofluidische Chip einen fluidisch zusammenhängenden Reaktionsraum für Reaktanden einer Reaktion aufweist, wobei der Reaktionsraum zumindest eine Reaktionskammer und eine, ein Mikroarray zum Nachweis von Reaktionsprodukten der Reaktion beinhaltende Arraykammer umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Verdrängen der Reaktanden aus der Arraykammer; und
- Analysieren des Mikroarrays durch eine Wand der Arraykammer.
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Weiterhin wird ein mikrofluidischer Chip, mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- einem Reaktionsraum für eine Reaktion, der in eine Arraykammer und zumindest eine Reaktionskammer unterteilt ist, wobei die Arraykammer und die Reaktionskammern fluidisch miteinander verbunden sind und in der Arraykammer ein Mikroarray zum Nachweis von Reaktionsprodukten der Reaktion angeordnet ist, wobei die Arraykammer eine transparente Wand zum Auslesen des Mikroarrays aufweist; und
- einer Einrichtung zum Verdrängen, die dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Verdrängungssignal die Reaktanden der Reaktion aus der Arraykammer zu verdrängen.
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Unter einem mikrofluidischen Chip kann ein mikrofluidisches System verstanden werden. Ebenso kann ein mikrofluidischer Chip ein Bestandteil eines mikrofluidischen Systems sein. Reaktanden können Edukte einer chemischen bzw. biochemischen Reaktion sein. Einer der Reaktanden kann insbesondere eine zu analysierende Probe sein. Ein Reaktionsraum kann aus mehreren Kammern und dazwischenliegenden Kanälen bestehen. In den Kanälen können Ventile angeordnet sein. Eine Reaktionskammer kann ein einzelner Hohlraum zum Durchführen der Reaktion sein. Eine Arraykammer kann ein einzelner Hohlraum zum Durchführen der Reaktion sein. An einem Mikroarray können unterschiedliche Teilreaktionen der Reaktion ablaufen. Das Mikroarray kann eine Matrix von verschiedenen Reaktanden von Teilreaktionen der Reaktion aufweisen. Die Reaktanden der Teilreaktionen können an dem Mikroarray fixiert sein. Damit können Reaktionsprodukte der Teilreaktionen an dem Mikroarray fixiert werden. Die Reaktionsprodukte können durch die transparente Wand erfassbar sein. Die Arraykammer kann näherungsweise das gleiche Volumen wie die Reaktionskammer aufweisen. Die Reaktionskammer und die Arraykammer können über einen Kanal miteinander verbunden sein. Eine Einrichtung zum Verdrängen kann dazu ausgebildet sein, ein Druckgefälle zwischen der Reaktionskammer und der Arraykammer aufzubauen, um den Reaktanden in Richtung des niedrigeren Drucks zu bewegen.
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Der Chip kann eine Einrichtung zum Umlagern aufweisen, die dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Umlagerungssignal die Reaktanden aus der Reaktionskammer in die Arraykammer umzulagern. Das Verfahren kann einen Schritt des Umlagerns der Reaktanden innerhalb des Reaktionsraums aufweisen, wobei die Reaktanden insbesondere zwischen der Reaktionskammer und der Arraykammer umgelagert werden, um die Reaktion durchzuführen. Die Reaktanden können durch ein Verkleinern eines Volumens der Reaktionskammer umgelagert werden. Durch das Verdrängen und ein Umlagern werden die Reaktanden innerhalb des Reaktionsraums bewegt. Dabei werden die Reaktanden durchmischt, sodass unverbrauchte Reaktanden miteinander reagieren können.
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Die Einrichtung zum Verdrängen kann als pneumatisch betätigbarer Verdrängungskörper innerhalb der Arraykammer ausgebildet sein. Die Einrichtung zum Umlagern kann als pneumatisch betätigbarer Verdrängungskörper innerhalb der Reaktionskammer ausgebildet sein. Der Verdrängungskörper kann insbesondere durch eine flexible Membran ausgebildet sein. Die Reaktanden können durch ein Verkleinern eines Volumens der Arraykammer aus der Arraykammer verdrängt werden. Die Reaktanden können durch ein Verkleinern eines Volumens der Reaktionskammer aus der Reaktionskammer verdrängt werden. Durch einen Verdrängungskörper können die Reaktanden aus der jeweiligen Kammer herausgequetscht werden, wenn in der anderen Kammer ein geringerer Innendruck herrscht. Die Reaktanden fließen dann entlang des Druckgefälles.
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Der Chip kann eine Einrichtung zum Spülen der Arraykammer unter Verwendung eines Spülfluids aufweisen. Das Mikroarray kann unter Verwendung des Spülfluids gespült werden. Dabei können beispielsweise durch einen Volumenstrom des Spülfluids durch die Arraykammer unverbrauchte Reaktanden aus dem Mikroarray ausgespült werden. Die Reaktanden können durch ein in die Arraykammer eingepresstes Spülfluid aus der Arraykammer verdrängt werden. Das Spülfluid kann unverbrauchte Reaktanden aus dem Mikroarray ausspülen, die das Auslesen des Mikroarrays verfälschen würden. Das Spülfluid kann insbesondere eine Flüssigkeit sein. Das Spülfluid kann zur einmaligen Verwendung vorgesehen sein. Das Spülfluid kann in ausreichender Menge auf dem Chip vorgelagert sein. Die Einrichtung zum Spülen kann eine Pumpkammer aufweisen, um einen ausreichenden Spüldruck in der Arraykammer aufzubauen.
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Der Reaktionsraum kann zumindest zwei Reaktionskammern und die Arraykammer aufweisen. Damit können die Reaktanden zwischen drei Kammern hin und her bewegt werden. In den drei Kammern können jeweils unterschiedliche Reaktionsbedingungen eingestellt werden. Damit können unterschiedliche Teilreaktionen der Reaktion in den Kammern ablaufen. Die Teilreaktionen können auch parallel ablaufen.
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Die Reaktanden können aus der Arraykammer in die Reaktionskammer verdrängt werden. Dabei kann das Analysieren nach dem Verdrängen erfolgen, wenn zumindest ein Hauptteil der Reaktanden aus der Arraykammer in die Reaktionskammer verdrängt worden ist. Das Analysieren kann auch erfolgen, wenn eine geringe Restmenge der Reaktanden in der Arraykammer verbleibt.
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Das Verfahren kann einen weiteren Schritt des Verdrängens aufweisen, in dem das eingepresste Spülfluid durch ein Verkleinern eines Volumens der Arraykammer aus der Arraykammer verdrängt wird. Das Volumen der Arraykammer kann also erst verkleinert werden, um die Reaktanden in die zumindest eine Reaktionskammer zu verdrängen. Dann kann die Arraykammer mit dem Spülfluid gespült werden, um die Reste der Reaktanden auszuspülen. Dabei kann das Volumen der Arraykammer wieder vergrößert werden. Anschließend kann das Volumen der Arraykammer erneut verkleinert werden, um das Spülfluid aus der Arraykammer auszupressen. Dadurch kann das Mikroarray besonders gut ausgelesen werden, weil Komponenten der Reaktanden, die die Qualität des Auslesen vermindern können, durch den Spülschritt aus der Arraykammer entfernt werden.
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Die Schritte des Umlagerns und des Analysierens können wiederholt werden, insbesondere bis die Reaktion ein vorbestimmtes Abbruchkriterium erreicht hat. Durch eine Wiederholung kann die Reaktion in Zwischenstadien analysiert werden.
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Als Reaktion kann eine Polymerase Kettenreaktion durchgeführt werden. Dabei können die zumindest eine Reaktionskammer und die Arraykammer auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gehalten werden. Die Reaktanden können im Schritt des Umlagerns jeweils für vorbestimmte Verweildauern in der Reaktionskammer und der Arraykammer gehalten werden. Durch je eine eigene Kammer für ein einzelnes Temperaturniveau kann die Reaktion beschleunigt werden, da eine Zeit zum wiederholten Aufheizen und/oder Abkühlen des gesamten Reaktionsraums entfallen kann.
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Im Schritt des Analysierens kann das Mikroarray unter Verwendung eines Durchlichtverfahrens oder eines Auflichtverfahrens durch die Wand der Arraykammer ausgelesen werden. Ein Durchlichtverfahren und ein Auflichtverfahren sind einfache und schnelle Analyseverfahren, die beispielsweise ohne extra zugegebene Indikatoren durchgeführt werden können. Weiterhin kann direkt ein Ergebnis der Analyse ausgelesen werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung eines mikrofluidischen Chips in einem ersten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Schnittdarstellung eines mikrofluidischen Chips in einem zweiten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines mikrofluidischen Chips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine Darstellung eines mikrofluidischen Chips mit einer Einrichtung zum Spülen der Arraykammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines mikrofluidischen Chips 100 in einem ersten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der mikrofluidische Chip 100 weist einen Reaktionsraum 102 und eine Einrichtung 104 zum Verdrängen auf. Der Reaktionsraum 102 ist dazu vorgesehen, eine Reaktion darin durchzuführen. Der Reaktionsraum 102 ist in eine Arraykammer 106 und zumindest eine Reaktionskammer 108 unterteilt. Die Arraykammer 106 und die Reaktionskammer 108 sind fluidisch über einen Kanal miteinander verbunden. In der Arraykammer 106 ist ein Mikroarray 110 zum Nachweis von Reaktionsprodukten der Reaktion angeordnet. Die Arraykammer 106 weist eine transparente Wand 112 zum Auslesen des Mikroarrays 110 auf. Die transparente Wand 112 kann als Sichtfenster 112 bezeichnet werden. Die Einrichtung 104 zum Verdrängen ist dazu ausgebildet, ansprechend auf ein Verdrängungssignal die Reaktanden 114 der Reaktion aus der Arraykammer 106 zu verdrängen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Chip eine Einrichtung 116 zum Umlagern auf, die dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Umlagerungssignal die Reaktanden 114 aus der Reaktionskammer 108 in die Arraykammer 106 umzulagern. Damit können die Reaktanden 114 zwischen der Arraykammer 106 und der Reaktionskammer hin und her bewegt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 104 zum Verdrängen und/oder die Einrichtung 116 zum Umlagern als pneumatisch betätigbarer Verdrängungskörper 104, 116 innerhalb der Arraykammer 106 und/oder der Reaktionskammer 108 ausgebildet. Durch den Verdrängungskörper 104, 116 kann ein Volumen der Arraykammer 106 und/oder der Reaktionskammer 108 verringert werden. Ein Inhalt der Arraykammer 106 und/oder der Reaktionskammer 108 wird dabei herausgedrückt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Verdrängungskörper 104, 116 durch eine flexible Membran ausgebildet. Auf einer Seite der Membran ist die Arraykammer 106 und/oder die Reaktionskammer 108 angeordnet. Auf der anderen Seite ist ein befüllbarer und entleerbarer Hohlraum angeordnet. Ein höherer Druck in dem Hohlraum als in der Arraykammer 106 und/oder der Reaktionskammer 108 lenkt die Membran in Richtung der der Arraykammer 106 und/oder der Reaktionskammer 108 aus und verkleinert das Volumen der der Arraykammer 106 und/oder der Reaktionskammer 108.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Membran 104 schwarz, um den Chip 100 mittels Laserschweißen aufbauen zu können. Mit einer schwarzen Membran 104 kann das Mikroarray 110 von unten ausgelesen werden. Es kann aber auch eine transparente Membran verwendet werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 104 zum Verdrängen als transparente, auslenkbare Membran 104 ausgebildet. Die Signale des Mikroarrays 110 können damit auch durch die Membran 104 ausgelesen werden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das mikrofluidische System 100 eine Reaktionskammer 106, eine Hilfskammer 108 und eine Einrichtung 104 zum Verdrängen auf. In der Reaktionskammer 106 ist ein Mikroarray 110 angeordnet. Das Mikroarray 110 liegt an einer transparenten Wand 112 der Reaktionskammer 106 an. Die Hilfskammer 108 ist fluidisch mit der Reaktionskammer 106 verbunden. Die Einrichtung 104 zum Verdrängen ist dazu ausgebildet, ansprechend auf ein Verdrängungssignal einen Inhalt 114 der Reaktionskammer 106 in die Hilfskammer 108 umzulagern. Im ersten Zustand ist die Einrichtung 104 zum Verdrängen deaktiviert. In der Reaktionskammer 106 ist zumindest ein Reaktand 114 einer durchzuführenden Reaktion angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 104 zum Verdrängen in der Reaktionskammer 106 angeordnet. Die Einrichtung 104 zum Verdrängen ist als pneumatisch betätigbarer Verdrängungskörper 104, 116 ausgebildet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Verdrängungskörper 104, 116 durch eine flexible Membran 104, 116 ausgebildet. Die Membran 104, 116 trennt die Reaktionskammer 106 von einer Luftkammer, die über einen Luftkanal 118 befüllbar und entleerbar ist.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das System 100 einen mikrofluidischen Kanal 120 in die Reaktionskammer 106 auf. Der Kanal 120 ist durch ein Ventil 122 absperrbar.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das System 100 einen weiteren mikrofluidischen Kanal 124 aus der Hilfskammer 108 auf. Der weitere Kanal 124 ist durch ein weiteres Ventil 126 absperrbar.
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Mit anderen Worten zeigt 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Schichtaufbau des Systems 100 besteht aus einem ersten Polymersubstrat 128 mit Durchlöchern 118 an dessen Unterseite die auslenkbaren Polymermembranen 104, 116 angebracht sind. Planparallel zu diesem Aufbau befindet sich ein zweites Polymersubstrat 130, das die Polymerase Kettenreaktion (PCR) Reaktionskammer 106 mit einem Desoxyribonukleinsäure-(DNA)-Mikroarray 110 und einer Hilfskammer 108 aufweist. Auf dem Mikroarray 110 sind unterschiedliche Oligonukleotide in Form von einzelnen Spots immobilisiert. Für Befüllung und Entleerung ist an die Kammern 106, 108 jeweils ein mikrofluidischer Kanal 120, 124 angeschlossen. Beide Kanäle 120, 124 haben je ein steuerbares Ventil 122, 126 um die mit einem Reaktionsmix für eine Amplifikationsreaktion befüllten Kammern 106, 108 und während der Reaktion verschlossen zu halten. Während der Amplifikationsreaktion, beispielsweise einer Polymerase Kettenreaktion, PCR werden bestimmte DNA-Motive einer Template-DNA vervielfältigt und gleichzeitig fluoreszenzmarkiert. Diese Amplifikationsprodukte können mit den Oligonukleotiden des Mikroarrays 110 während der Amplifikationsreaktion wechselwirken und so an die Oberfläche des Arrays 110 gebunden werden. Die Fluoreszenzsignale können während des Reaktionsverlaufs gemessen werden, indem das Reaktionsvolumen 114 der Reaktionskammer 106 durch Auslenkung der Polymermembran 104 in die Hilfskammer 108 verdrängt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das Reaktionsvolumen/Reaktionslösung 114 vor dem mechanischen Verdrängen zunächst mit einer Lösung fluidisch verdrängt und dann erst ausgedrückt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Reaktionsraum 102 auf eine Arraykammer 106 beschränkt, die zum Analysieren des Mikroarrays 110 durch die Verdrängungslösung gespült wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Reaktionsraum 102 auf zwei Kammern 106, 108 beschränkt. Dabei wird das Reaktionsvolumen in die Reaktionskammer 108 verdrängt und anschließend das Mikroarray 110 zum Analysieren gespült.
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In einem Ausführungsbeispiel wird zunächst die Reaktionsflüssigkeit aus der Kammer 106, die das Array 110 enthält, entfernt. Dies geschieht beispielsweise durch Verdrängung mittels Auslenkung einer Membran oder direkte Verdrängung mit einer Waschlösung. Danach wird die über dem Array 110 befindliche Waschlösung verdrängt und das Mikroarray 110 mit optischen Verfahren ausgelesen.
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Der hier vorgestellte Ansatz hat den Vorteil, dass die in der Reaktionslösung befindlichen Moleküle, wie Fluorophore, welche bei der Auslese des Mikroarrays 110 stören würden, nicht nur mechanisch, sondern auch fluidisch durch die Verdrängungslösung von dem Mikroarray 110 entfernt werden. Das hat eine niedrigere Hintergrundfluoreszenz zur Folge, wodurch sich die Sensitivität des mikroarraybasierten Nachweissystems 100 erhöht.
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Beispielsweise besteht das Polymersubstrat 128, 130 aus einem Thermoplast, wie Polykarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat PMMA, Cyclo-Olefin-Polymer COP, Cyclo-Olefin-Copolymer COC, Polyetheretherketon PEEK. Die Polymermembran 104, 116 kann aus einem Elastomer bzw. einem thermoplastischen Elastomer, wie thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis TPU, Styrol-Blockcopolymer TPS, Polyurethan PU, Thermoplaste, Heißklebefolien, Siegelfolien für Mikrotiterplatten, Latex hergestellt sein.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Polymersubstrat 128, 130 eine Dicke von 0,5 Millimeter bis 5 Millimeter auf.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen die Kanäle 120, 124 Kanaldurchmesser von 10 Mikrometer bis 3 Millimeter auf.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Polymermembran 104, 116 eine Dicke vom 5 Mikrometer bis 500 Mikrometer auf.
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In einem Ausführungsbeispiel weisen die Kavitäten 106, 108 in den Polymersubstraten 128, 130 je ein Volumen von 1 Kubikmillimeter bis 1000 Kubikmillimeter auf.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die Polymermembran 104, 116 mit einem Druck von 0,2 bar bis 2 bar ausgelenkt.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines mikrofluidischen Chips 100 in einem zweiten Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der mikrofluidische Chip 100 entspricht dem mikrofluidischen System in 1. Im zweiten Zustand ist die Einrichtung 104 zum Verdrängen aktiviert. Die flexible Membran 104, 116 ist durch einen Überdruck in der Luftkammer in die Arraykammer 106 gedrückt. Dadurch ist zumindest der Hauptteil des Inhalts 114 der Arraykammer 106 in die Hilfskammer 108 gedrückt worden. Der Reaktand ist jetzt der Inhalt 200 der Hilfskammer 108. Im zweiten Zustand wird das Mikroarray 110 durch einen Detektor 202 analysiert.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das System 100 eine Einrichtung 116 zum Rücklagern auf. Die Einrichtung 116 zum Rücklagern ist dazu ausgebildet, ansprechend auf ein Rücklagerungssignal den Inhalt 200 der Hilfskammer 108 in die Reaktionskammer 106 rückzulagern.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 116 zum Rücklagern in der Hilfskammer 108 angeordnet. Die Einrichtung 116 zum Rücklagern ist als weiterer pneumatisch betätigbarer Verdrängungskörper 116 ausgebildet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der weitere Verdrängungskörper 116 durch die flexible Membran 116 ausgebildet. Die Membran 116 trennt die Hilfskammer 108 von einer Luftkammer, die über einen Luftkanal befüllbar und entleerbar ist.
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Nach dem Auslesevorgang mittels eines geeigneten Detektors 202 wird die Polymermembran 116 aktuiert und das Reaktionsvolumen 200 wieder in die Reaktionskammer 106 überführt.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Betreiben eines mikrofluidischen Chips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das hier vorgestellte Verfahren 300 kann auf einem mikrofluidischen Chip, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist, ausgeführt werden. Wie in den 1 und 2 weist der mikrofluidische Chip einen fluidisch zusammenhängenden Reaktionsraum für Reaktanden einer Reaktion auf. Dabei umfasst der Reaktionsraum zumindest eine Reaktionskammer und eine, ein Mikroarray zum Nachweis von Reaktionsprodukten der Reaktion beinhaltende Arraykammer.
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Das Verfahren 300 weist einen Schritt 302 des Verdrängens und einen Schritt 304 des Analysierens auf. Im Schritt 302 des Verdrängens werden die Reaktanden aus der Arraykammer verdrängt. Dabei können die Reaktanden beispielsweise auch in eine Abfallkammer verdrängt werden, wenn sie nicht weiter verwendbar sind und/oder nicht weiter verwendet werden sollen. Im Schritt 304 des Analysierens wird das Mikroarray durch eine Wand der Arraykammer analysiert.
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In einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 302 des Verdrängens die Reaktanden aus der Arraykammer in die Reaktionskammer verdrängt. Das Analysieren 304 erfolgt nach dem Verdrängen, wenn zumindest ein Hauptteil der Reaktanden aus der Arraykammer in die Reaktionskammer verdrängt worden ist. Dabei bleiben die Reaktanden im System und sind damit weiter verwendbar.
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In einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 302 des Verdrängens die Reaktanden durch ein Verkleinern eines Volumens der Arraykammer aus der Arraykammer verdrängt. Durch das Verkleinern steigt ein Innendruck in der Arraykammer an. Die Reaktanden fließen aus der Arraykammer in Richtung eines geringeren Drucks ab.
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In einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt des Verdrängens die Reaktanden durch ein in die Arraykammer eingepresstes Spülfluid aus der Arraykammer verdrängt. Das Spülfluid wird mit einem erhöhten Druck in die Arraykammer gepresst. Dabei ersetzt das Spülfluid die Reaktanden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das Mikroarray im Schritt 302 des Verdrängens unter Verwendung des Spülfluids gespült. Das Spülfluid wird dabei nach dem Verdrängen der Reaktanden weiter in die Arraykammer gepresst. Zeitgleich wird ein Ablaufkanal aus der Arraykammer geöffnet. Jetzt strömt das Spülfluid über das Mikroarray und wäscht unverbrauchte Reaktanden von dem Mikroarray ab, um beim Analysieren 304 lediglich die an das Mikroarray angelagerten Reaktionsprodukte zu erfassen.
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Weiterhin kann ein Verdrängen des eingepressten Spülfluids durch ein Verkleinern eines Volumens der Arraykammer aus der Arraykammer erfolgen. Dabei fließt das Spülfluid durch den Ablaufkanal aus der Arraykammer ab.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 300 einen Schritt 308 des Umlagerns der Reaktanden innerhalb des Reaktionsraums auf. Dabei werden die Reaktanden insbesondere zwischen der Reaktionskammer und der Arraykammer umgelagert, um die Reaktion durchzuführen. Nach dem Analysieren 304 werden die Reaktanden erneut in die Arraykammer umgelagert, um die Reaktion fortzuführen.
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In einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 308 des Umlagerns die Reaktanden durch ein Verkleinern eines Volumens der Reaktionskammer umgelagert. Das Umlagern kann anlog zum Verdrängen erfolgen.
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In einem Ausführungsbeispiel werden die Reaktanden im Schritt 308 des Umlagerns durch in die Reaktionskammer eingeleitetes Spülfluid aus der Reaktionskammer verdrängt.
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In einem Ausführungsbeispiel werden die Schritte 308, 304 des Umlagerns und des Analysierens wiederholt, insbesondere bis die Reaktion ein vorbestimmtes Abbruchkriterium erreicht hat.
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In einem Ausführungsbeispiel wird als Reaktion eine Polymerase Kettenreaktion durchgeführt. Dabei werden die zumindest eine Reaktionskammer und die Arraykammer auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gehalten. Die Reaktanden werden im Schritt 308 des Umlagerns jeweils für vorbestimmte Verweildauern in der Reaktionskammer und der Arraykammer gehalten.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das mikrofluidische System zumindest eine Reaktionskammer, eine Hilfskammer und eine Einrichtung zum Verdrängen auf. In der Reaktionskammer ist ein Mikroarray angeordnet. Das Verfahren weist einen Schritt des Einleitens, einen Schritt des Verdrängens und einen Schritt des Analysierens auf. Im Schritt des Einleitens wird zumindest ein Reaktand einer Reaktion in die Reaktionskammer eingeleitet, um die Reaktion an dem Mikroarray zu starten. Im Schritt des Verdrängens wird zumindest ein Hauptteil des Reaktanden aus der Reaktionskammer in die Hilfskammer des mikrofluidischen Systems umgelagert. Dazu wird die Einrichtung zum Verdrängen verwendet. Im Schritt des Analysierens wird das Mikroarray durch eine Wand der Reaktionskammer analysiert.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren einen Schritt des Rücklagerns auf. Dabei wird der Reaktand nach dem Schritt des Analysierens zum Fortsetzen der Reaktion in die Reaktionskammer rückgelagert.
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In einem Ausführungsbeispiel werden die Schritte des Verdrängens, Analysierens und des Rücklagerns wiederholt.
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In einem Ausführungsbeispiel werden die Schritte wiederholt, bis die Reaktion ein vorbestimmtes Abbruchkriterium erreicht hat.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Abbruchkriterium erreicht, wenn die Reaktanden eine vorbestimmte Konzentration an Abfallstoffen erreicht.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Abbruchkriterium erreicht, wenn im Schritt 304 des Analysierens ein vorbestimmtes Ergebnis an dem Mikroarray ausgelesen wird.
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In einem Ausführungsbeispiel wird zwischen dem Schritt des Einleitens und dem Schritt des Verdrängens eine vorbestimmte Reaktionsdauer abgewartet.
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In einem Ausführungsbeispiel wird zwischen dem Schritt des Rücklagerns und dem Schritt Verdrängens die vorbestimmte Reaktionsdauer abgewartet. Durch das Abwarten der Reaktionsdauer kann die Reaktion in vorbestimmten Zeitschritten analysiert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt des Einleitens der Reaktand zu zumindest einem an das Mikroarray gebundenen weiteren Reaktanden der Reaktion eingeleitet.
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In einem Ausführungsbeispiel erfolgt im Schritt des Verdrängens ein Verkleinern eines Volumens der Reaktionskammer.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt des Analysierens das Mikroarray unter Verwendung eines Durchlichtverfahrens oder eines Auflichtverfahrens durch die Wand der Reaktionskammer ausgelesen.
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Der hier vorgestellte Ansatz stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Echtzeit-Auslese von Mikroarrays in einem mikrofluidischen System vor.
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Sogenannte Lab on Chip (LoC) Systeme erlauben die miniaturisierte und integrierte Durchführung komplexer Arbeitsabläufe für den spezifischen Nachweis verschiedenster Moleküle.
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Beispielsweise kann in LoC Systemen für die DNA-Analytik das zu untersuchende Probenmaterial mittels Polymerase Kettenreaktion (PCR) amplifiziert und anschließend auf einem Mikroarray analysiert werden. Dabei werden die zu detektierenden Moleküle während der Amplifikation mit Fluoreszenzmolekülen markiert. Diese Moleküle binden dann an spezifische Bindungsstellen bzw. Spots auf dem Mikroarray und können dort beispielsweise fluorometrisch nachgewiesen werden.
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Fluoreszenzsignale können im Schritt 306 des Analysierens beispielsweise mit Durch- oder Auflichtverfahren gemessen werden.
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Die Fluoreszenzsignale der in der Lösung befindlichen Fluorophore, auch als Hintergrundfluoreszenz bezeichnet, kann bei einem Mikroarray-Experiment in Anwesenheit der Reaktionslösung die Fluoreszenzsignale der Spots übersteigen. Zum Filtern des Überstrahlens können Ausleseverfahren wie beispielsweise Ellipsometrie, reflektometrische Interferenzspektroskopie (RlfS), oder Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) eingesetzt werden, bei denen nur oberflächennahe Fluoreszenzsignale gemessen werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt geeigneten Strukturen und Prozessabläufe für die Messung von oberflächennahen, gebundenen Fluoreszenzsignalen in einem mikrofluidischen LoC System, das ungebundene Fluorophore in der Reaktionslösung enthält.
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Es wird ein polymerer Schichtaufbau beschrieben, bei dem sich in einer Reaktionskammer ein DNA-Mikroarray und eine elastische Membran befinden. Zum Messen wird die über dem Array befindliche Reaktionsflüssigkeit durch Auslenkung der Membran in eine Hilfskammer verdrängt. Damit werden die in der Flüssigkeit befindlichen Fluorophore vom Mikroarray entfernt. Das Mikroarray kann so mit einfachen optischen Verfahren ausgelesen werden.
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Dadurch sinken die Anforderungen an die Detektionseinheit eines Arraybasierten LoC Systems. Somit können etablierte und günstige Durch- bzw. Auflichtverfahren anstelle von technisch aufwendigen Verfahren wie der Ellipsometrie, RlfS oder SPR eingesetzt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht das hier vorgestellte Verfahren den Reaktionsverlauf, beispielsweise einer PCR in Echtzeit zu verfolgen.
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4 zeigt eine Darstellung eines mikrofluidischen Chips 100 mit einer Einrichtung 400 zum Spülen der Arraykammer 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Chip 100 weist als Reaktionsraum 102 eine Arraykammer 106, eine erste Reaktionskammer 108 und eine zweite Reaktionskammer 402 auf. Die Kammern 106, 108, 402 sind in einer Reihe angeordnet und miteinander durch Fluidkanäle 404 fluidisch gekoppelt.
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In einem Ausführungsbeispiel sind zwischen den Kammern 106, 108, 402 steuerbare Ventile zum Verschließen bzw. Öffnen der Kanäle 404 angeordnet.
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Die Einrichtung 400 zum Spülen weist eine Vorratskammer 406 für ein Spülfluid und eine Pumpkammer 408 auf. In der Vorratskammer 406 kann die Verdrängungslösung bzw. das Spülfluid vorgelagert sein. Die Kammern 406, 408 der Einrichtung 400 zum Spülen und die Arraykammer 106 sind in dem dargestellten Beispiel in einer Reihe angeordnet und durch weitere Fluidkanäle 404 miteinander fluidisch verbunden. Zwischen der Vorratskammer 406 und der Pumpkammer 408 ist ein erstes steuerbares Ventil 410 zum Verschließen oder Öffnen des Kanals 404 angeordnet. Zwischen der Pumpkammer 408 und der Arraykammer 106 ist ein zweites steuerbares Ventil 412 zum Verschließen oder Öffnen des Kanals 404 angeordnet. Auf einer der Einrichtung 400 zum Spülen gegenüberliegenden Seite der Arraykammer 106 ist ein drittes steuerbares Ventil 414 zum Verschließen oder Öffnen des Kanals 404 angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Chip 100 eine Einrichtung 400 zum Spülen der Arraykammer 106 unter Verwendung eines Spülfluids auf. Die Einrichtung 400 zum Spülen ist dazu ausgebildet, das Spülfluid in die Arraykammer 106 einzuleiten. Dabei kann das Spülfluid eingeleitet werden, wenn die Reaktanden noch in der Arraykammer 106 angeordnet sind. Ebenfalls kann das Spülfluid in die Arraykammer 106 eingeleitet werden, wenn die Reaktanden bereits aus der Arraykammer 106 verdrängt worden sind. Das Spülfluid kann nach dem Einleiten aus der Arraykammer 106 entfernt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der Reaktionsraum 102 zumindest zwei Reaktionskammern 108, 402 und die Arraykammer 106 auf.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Reaktionsraum 102 in drei Kammern 106, 108, 402 aufgespaltet. Dadurch ist keine zusätzliche Hilfskammer nötig, da das Reaktionsvolumen in eine der beiden anderen Reaktionskammern 108, 402 verdrängt werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel wird das Reaktionsvolumen für die Durchführung einer PCR zwischen den drei Kammern 106, 108, 402 hin- und hergeschoben. Immer wenn sich das Reaktionsvolumen in der Arraykammer 106, hier der untersten Kammer befindet, sind das zweite Ventil 412 und das dritte Ventil 414 geschlossen. Wenn das Reaktionsvolumen aus der Kammer 106 verdrängt wird, in der sich das Mikroarray 110 befindet, in diesem Ausführungsbeispiel die unterste, wird mittels der Pumpe 408, die hier aus der Pumpkammer 408 und dem ersten Ventil 410 und dem zweiten Ventil 412 besteht, eine Verdrängungslösung durch die Kammer 106 mit dem Mikroarray 110 gespült und/oder eingebracht. Danach erst wird der Verdrängungskörper aktiviert, der dann die Verdrängungslösung durch das dritte Ventil 414 und den nach links laufenden Kanal 404 entfernt. In diesem Zustand wird dann das Mikroarray 110 ausgelesen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Reaktionsraum 102 auf drei Kammern 106, 108, 402 aufgeteilt. Dabei läuft die Reaktion in den Reaktionskammern 108, 402 weiter, während das Mikroarray 110 in der Arraykammer 106 gespült und analysiert wird.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
