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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Testen eines mikrofluidischen Systems, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Chemische Analysen können auf engem Raum ausgeführt werden. Insbesondere kann ein chemischer Analyseprozess in einer miniaturisierten Kartusche ausgeführt werden, die zur einmaligen Verwendung vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Testen eines mikrofluidischen Systems, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine mikrofluidische Kartusche beinhaltet ein mikrofluidisches System mit einer Vielzahl an Komponenten, wie Kanälen, Ventilen und Kammern. Damit das System einwandfrei funktioniert, ist es erforderlich, dass alle Komponenten innerhalb vorgegebener Parameter funktionieren. Besonders die Ventile des Systems sind neuralgische Punkte, da eine Fehlfunktion eines einzigen Ventils zum Versagen des gesamten Systems führen kann.
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Um die Ventile zu prüfen, kann jedes einzelne Ventil unter Verwendung eines Verfahrens gemäß dem hier vorgestellten Ansatz getestet werden. Dadurch können fehlerhafte mikrofluidische Systeme erkannt werden, bevor das System bei der bestimmungsgemäßen Benutzung versagt.
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Es wird ein Verfahren zum Testen eines mikrofluidischen Systems vorgestellt, wobei das System zumindest einen Kanal zwischen einem Einlass des Systems und einem Auslass des Systems sowie zumindest ein in dem Kanal angeordnetes Ventil aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anlegen einer Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass;
Betätigen des Ventils; und
Erfassen einer fluidischen Rückkopplung des Systems, um einen fluidischen Pfad zwischen dem Einlass und dem Auslass auf eine Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
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Eine Druckdifferenz kann unter Verwendung eines Gases bereitgestellt werden. Dadurch kann eine Verunreinigung des Systems durch Flüssigkeiten vermieden werden. Ein Pfad kann eine geplante Route für das Gas durch den oder die Kanäle des Systems sein. Ein Betätigen kann das Ventil in zumindest zwei Zustände versetzten. Insbesondere kann das Ventil beim Betätigen geschlossen oder geöffnet werden. Eine Rückkopplung kann beispielsweise ein resultierender Volumenstrom durch den Pfad sein. Ebenso kann die Rückkopplung eine Änderung eines statischen Drucks im Pfad sein.
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Das System kann zumindest einen weiteren Kanal zwischen dem Einlass und dem Auslass sowie zumindest ein weiteres Ventil in dem weiteren Kanal aufweisen. Das Verfahren kann einen Schritt des Ausbildens des Pfads zwischen dem Einlass und dem Auslass umfassen, indem das weitere Ventil geschlossen wird, um den Pfad auszubilden. Die Schritte des Anlegens, Betätigens und Erfassens können nach dem Schritt des Ausbildens ausgeführt werden, um den Pfad zu überprüfen. Teile des Systems, die nicht zu dem Pfad gehören, können abgesperrt werden, damit dort kein Gas strömen kann. Der Pfad kann durch verschlossene Abzweigungen von dem Pfad definiert werden.
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Der Schritt des Ausbildens kann erneut ausgeführt werden. Dabei kann ein weiterer mikrofluidischer Pfad ausgebildet werden, indem das Ventil geschlossen wird. Die Schritte des Anlegens, Betätigens und Erfassens können nach dem erneuten Schritt des Ausbildens erneut ausgeführt werden und im erneuten Schritt des Betätigens das weitere Ventil betätigt wird, um den weiteren Pfad zu überprüfen. Der weitere Pfad verläuft nun über das weitere Ventil. Dadurch kann eine Funktionstüchtigkeit des weiteren Ventils überprüft werden.
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In dem Kanal kann zumindest ein weiteres Ventil angeordnet sein. Das Verfahren kann einen Schritt des Ausbildens des Pfads zwischen dem Einlass und dem Auslass umfassen, indem das weitere Ventil geöffnet wird, um den Pfad auszubilden. Die Schritte des Anlegens, Betätigens und Erfassens können nach dem Schritt des Ausbildens ausgeführt werden, um den Pfad zu überprüfen. Der Pfad kann durch in einer Reihe angeordnete geöffnete Ventile gekennzeichnet sein. Das weitere Ventil kann geöffnet werden, um den Pfad freizugeben.
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Der Schritt des Ausbildens kann erneut ausgeführt werden. Dabei kann das Ventil geöffnet werden, um den Pfad auszubilden. Die Schritte des Anlegens, Betätigens und Erfassens können nach dem erneuten Schritt des Ausbildens erneut ausgeführt werden. Im erneuten Schritt des Betätigens kann das weitere Ventil betätigt werden, um den Pfad zu überprüfen. Dadurch kann das weitere Ventil auf seine Funktionstüchtigkeit überprüft werden.
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Im Schritt des Anlegens kann der Einlass und alternativ oder ergänzend der Auslass geöffnet oder geschlossen werden. Im Schritt des Erfassens kann als Rückkopplung ein Druckanstieg und alternativ oder ergänzend ein Druckabfall erfasst werden, um die Funktionsfähigkeit des Pfads zu überprüfen. Durch einen Druckanstieg beziehungsweise Druckabfall kann eine Undichtigkeit des Ventils einfach mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
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Im Schritt des Erfassens kann ein Volumenstrom durch den Pfad erfasst werden, um die Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Der Volumenstrom kann schnell erfasst werden.
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Im Schritt des Erfassens können ein Einlassvolumenstrom am Einlass und ein Auslassvolumenstrom am Auslass erfasst werden, um den Pfad auf Dichtigkeit zu überprüfen. Durch eine Differenz zwischen dem Einlassvolumenstrom und dem Auslassvolumenstrom kann ein Leckstrom aus einem Leck im System erfasst werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung 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 der Vorrichtung 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 oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm 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:
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1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Testen eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung eines mikrofluidischen Systems während eines Durchflusstests gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung eines mikrofluidischen Systems während eines Impulstests gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung eines mikrofluidischen Systems während eines Dichtigkeitstests gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Testen eines mikrofluidischen Systems 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 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Testen eines mikrofluidischen Systems 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das mikrofluidische System 102 weist eine Mehrzahl von Kanälen 104 auf, von welchen der Übersichtlichkeit halber nur Kanäle 104 eines Pfads mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet sind. Die Kanäle 104 des mikrofluidischen Systems 102 sind durch eine Mehrzahl von Ventilen 106, 120 in voneinander fluiddicht trennbare Abschnitte unterteilt. Innerhalb der Abschnitte sind fluidische Einrichtungen 108 des mikrofluidischen Systems 102 angeordnet. Beispielsweise sind innerhalb der Abschnitte Reaktionskammern 108, Mischkammern 108, Abfallkammern 108 oder Lagerkammern 108 angeordnet. Innerhalb der Abschnitte sind teilweise Verzweigungen angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einem Abschnitt jeweils entweder eine fluidische Einrichtung 108 oder eine Abzweigung angeordnet.
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Durch ein Ventil 106 können aneinander angrenzende Abschnitte eines Kanals 104 fluidisch miteinander verbunden werden, indem das jeweilige Ventil 106 geöffnet wird. Ebenso können die aneinander angrenzenden Abschnitte des Kanals 104 durch das jeweilige Ventil 106 getrennt werden, indem das Ventil 106 geschlossen wird. Wenn ein Abschnitt eine Abzweigung enthält und der Abschnitt durch zumindest drei Ventile 106 begrenzt ist, so kann durch eine geeignete Schaltung der Ventile 106 die Funktionalität eines Wegeventils ausgebildet sein.
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Das mikrofluidische System 102 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Schnittstellen 110, 112 zur Umgebung auf. Dabei weist das hier dargestellte mikrofluidische System 102 einen Einlass 110 und zwei Auslässe 112 auf. Durch eine geeignete Ansteuerung der Ventile 106, 120 können unterschiedliche Pfade zwischen dem Einlass 110 und einem der Auslässe 112 ausgebildet werden. Um einen solchen Pfad auszubilden, können alle Ventile 106, 120 des auszubildenden Pfades geöffnet und alle weiteren oder zumindest die an den Pfad angrenzenden weiteren Ventile geschlossen werden. Zum Testen des mikrofluidischen Systems 102, beispielsweise zum Testen eines Pfades durch das mikrofluidische System 102, ist die Vorrichtung 100 fluidisch mit den Schnittstellen 110, 112 verbunden.
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Die Vorrichtung 100 weist eine Einrichtung 114 zum Anlegen, eine Einrichtung 116 zum Betätigen und eine Einrichtung 118 zum Erfassen auf. Die Einrichtung 114 zum Anlegen ist dazu ausgebildet, eine Druckdifferenz Δp zwischen dem Einlass 110 und zumindest einem der Auslässe 112 anzulegen. Die Einrichtung 114 zum Anlegen weist also eine Druckquelle und eine Drucksenke auf. Dabei ist die Druckquelle mit dem Einlass 110 verbunden und die Drucksenke ist mit einem oder beiden der Auslässe 112 verbunden. Dabei kann die Druckquelle beispielsweise ein Druckbehälter sein und die Drucksenke kann ein Ausströmventil in die Umgebung sein. Ebenso kann die Drucksenke eine Saugseite einer Pumpe und die Druckquelle eine Druckseite der Pumpe sein.
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Die Einrichtung 116 zum Betätigen ist dazu ausgebildet, ein zu untersuchendes Ventil 120 des mikrofluidischen Systems 102 zu betätigen. Als das zu untersuchende Ventil 120 ist hier lediglich beispielhaft eines der Ventile 106, 120 des Systems 102 ausgewählt. Dazu ist die Einrichtung 116 zum Betätigen über eine Steuerleitung 122 mit den Ventilen 106, 120 des mikrofluidischen Systems 102 verbunden. Die Steuerleitung 122 kann elektrisch ausgeführt sein. Dann ist die Einrichtung 116 zum Betätigen mit einem nicht dargestellten Ventilantrieb für die Ventile 106, 120 verbunden. Für eine Signalübertragung auf pneumatischem Weg ist es erforderlich, alle Ventile 106, 120 über separate Steuerleitungen 122 mit der Einrichtung 116 zu verbinden, sodass jedes der Ventile 106, 120 unabhängig von den anderen Ventilen 106, 120 von der Einrichtung 116 betätigbar ist. Dies ermöglicht es, die Ventile 106, 120 des mikrofluidischen Systems 102 über einen Druck in einer Steuerkammer anzusteuern.
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Die in 1 nur symbolisch dargestellte Einrichtung 118 zum Erfassen ist dazu ausgebildet, eine fluidische Rückkopplung des Systems 102 zu erfassen, um einen fluidischen Pfad zwischen dem Einlass 110 und dem Auslass 112 auf eine Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
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Mikrofluidische Diagnostiksysteme 102, sogenannte Lab-on-Chips 102, erlauben es, komplexe mikrofluidische Abläufe zu integrieren und automatisch ablaufen zu lassen, wodurch sich Zeit- und Kostenvorteile ergeben.
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Lab-on-Chips 102 können aus polymeren Mehrschichtaufbauten mit integrieren Kanälen 104 und Kammern 108 aufgebaut sein, welche als Wegwerf-Bauteile zur einmaligen Verwendung konzipiert sind. Zum Steuern der fluidischen Abläufe werden dabei beispielsweise in den Chip 102 eingebaute Ventile 106, 120 bzw. Pumpen eingesetzt. Insbesondere werden pneumatisch betriebene Membranventile 106, 120 bzw. Membranpumpen eingesetzt. Für eine aufwendige Probenvorbereitung wird dabei eine große Anzahl an Ventilen 106 und Pumpkammern 108 benötigt, beispielsweise bis zu 50, welche über ein komplexes mikrofluidisches Netzwerk 104 verbunden sein können.
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Ist eines oder mehrere der integrierten Ventile 106, 120 nicht funktionstüchtig, so kann es während des Betriebs zu Funktionsbeeinträchtigungen bis hin zum Bauteilversagen kommen. Zur Qualitätssicherung während der Produktion bzw. vor der Verwendung beim Kunden ist es deshalb wünschenswert, alle Ventile 106, 120 auf ihre Funktion zu überprüfen.
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Diese Überprüfung kann beispielsweise optisch durchführt werden. Dabei wird überprüft, ob sich die Membran bei Anlegen von Differenzdrücken bewegt. Die optische Überprüfung der Membranauslenkung ist in der Regel nicht ausreichend, um eine volle Funktion des Ventils 106, 120 zu bestätigen. Beispielsweise kann es durch eine leichte Deformation der Membran oder durch Partikel zwischen Membran und Ventilsteg zu einer unzureichenden Dichtwirkung kommen, welche nicht durch das optische Verfahren festgestellt wird.
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Alternativ kann ein Lab-on-Chip 102 als Stichprobe mit Flüssigkeiten prozessiert werden. Wird ein Lab-on-Chip 102 als Stichprobe mit Flüssigkeiten betrieben, um den Ventilzustand zu überprüfen, ist das System 102 nur sehr schwer von den darin befindlichen Restflüssigkeiten zu befreien. Damit kann das System 102 nach der Überprüfung nicht wieder verwendet werden.
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Beim dem hier vorgestellten Ansatz werden die Ventile 106, 120 zerstörungsfrei auf ihre Dichtwirkung hin überprüft, indem ein Gas als Medium genutzt wird. Die Überprüfung kann also nicht nur als Stichprobe verwendet werden, sondern für jedes Bauteil 102.
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Mit anderen Worten ist in 1 eine Aufsicht auf ein mikrofluidisches System 102 dargestellt, welches beispielhaft drei Schnittstellen 110, 112 zur fluidischen Ebene hat. Gezeigt ist ein mikrofluidisches Netzwerk 102 mit Kanälen 104, Ventilen 106, 120 und anderen mikrofluidischen Elementen 108, beispielsweise Verdrängungskammern 108 von Membranpumpen oder Kavitäten 108 zur Vorlagerung oder Aufnahme von Flüssigkeiten.
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2 zeigt eine Darstellung eines mikrofluidischen Systems 102 während eines Durchflusstests gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das mikrofluidische System 102 entspricht im Wesentlichen dem mikrofluidischen System in 1. im Gegensatz zu 1 ist die Vorrichtung 100 zum Testen hier nur teilweise dargestellt. Zusätzlich ist hier ein zu testender Pfad 200 durch das mikrofluidische System 102 dargestellt. Der Pfad 200 verläuft von dem Einlass 110 entlang derjenigen Kanäle des mikrofluidischen Systems 102, die mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet sind, zu einem der Auslässe 112. Der Pfad 200 ist durch geöffnete Ventile 106 zwischen Abschnitten der Kanäle 104 definiert, die auf den Pfad 200 liegen. Eines der Ventile 106 in dem Pfad 200 ist hier als das zu prüfende Ventil 120 gekennzeichnet.
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Um den Pfad 200 auszubilden, werden von der nicht dargestellten Einrichtung zum Betätigen alle Ventile 106 zwischen dem Einlass 110 und dem zu prüfenden Ventil 120 durchgängig geschaltet, um ein erstes Teilstück des Pfads 200 zu definieren. Alle Ventile 202, die Abzweigungen von dem ersten Teilstück absperren, beispielsweise ein einen weiteren Kanal 203 abgrenzendes Ventil 202, werden von der Einrichtung zum Betätigen undurchlässig geschaltet. Weiterhin werden von der Einrichtung zum Betätigen alle Ventile 106 zwischen dem zu prüfenden Ventil 120 und dem Auslass 112 durchgängig geschaltet, um ein zweites Teilstück des Pfads 200 zu definieren. Alle Ventile 202, die Abzweigungen von dem zweiten Teilstück absperren werden von der Einrichtung zum Betätigen undurchlässig geschaltet. Die Schaltstellung des zu prüfenden Ventils 120 kann entweder offen oder geschlossen sein.
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Jetzt wird von der Einrichtung 114 zum Anlegen die Druckdifferenz ∆p zwischen dem Einlass 110 und dem Auslass 112 angelegt. Die Einrichtung 114 zum Anlegen ist hier als Pumpe 114 ausgeführt, die auf der Saugseite mit dem Auslass 112 und auf der Druckseite mit dem Einlass 110 verbunden ist. Die Einrichtung 118 zum Erfassen ist zwischen dem Auslass 112 und der Pumpe 114 angeordnet. Die Einrichtung 118 zum Erfassen ist hier als Durchflusssensor 204 ausgebildet.
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Wenn das zu prüfende Ventil 120 geöffnet ist, strömt nun einen Fluidstrom entlang des Pfads 200 durch das mikrofluidische System von dem Einlass 110 zu dem Auslass 112. Wenn das zu prüfende Ventil 120 geschlossen ist, strömt trotz der anliegenden Druckdifferenz ∆p kein Fluidstrom von dem Einlass 110 zu dem Auslass 112. Wenn das zu prüfende Ventil 120 defekt ist, also beispielsweise einen ungenügenden Öffnungsquerschnitt freigibt, dann strömt ein Fluidstrom entlang des Pfads 200, der geringer ist, als ein spezifizierter Fluidstrom. Wenn das Ventil 120 beispielsweise unvollständig schließt, strömt trotz geschlossenem Ventil 120 ein Fluidstrom entlang des Pfads 200.
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Der Fluidstrom wird von der Einrichtung 118 zum Erfassen erfasst beziehungsweise gemessen. Dazu weist die Einrichtung 118 zum Erfassen den Durchflusssensor 204 auf. Über eine nicht dargestellte Auswertelogik wird ein Ergebnis der Messung mit einem erwarteten Ergebnis verglichen, um die Funktionstüchtigkeit des auszuwertenden Ventils 120 zu bestimmen.
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In 2 ist ein weiterer Pfad 206 dargestellt, der ausgehend von dem Einlass 110 zunächst zwei Kanäle 104 des bereits beschriebenen Pfads 200 einschließt, dann jedoch an einer Verzweigungsstelle von dem Pfad 200 abzweigt und in den weiteren Kanal 203 einmündet. Um den weiteren Pfad 206 durch das mikrofluidische System 102 auszubilden, werden zumindest die Ventile 106 geschlossen, die die Abzweigungen von dem weiteren Pfad 206 verschließen. Weitere Ventile 202 in dem weiteren Pfad 206, die vorher Abzweigungen von dem Pfad 200 verschlossen haben, werden geöffnet. Jetzt kann unter Verwendung der oben beschriebenen Vorgehensweise eines der weiteren Ventile 202 getestet werden.
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Lab-on-Chip-Systeme 102 mit Membranventilen 106, 120, 202 können in ihrem Aufbau eine pneumatische Ebene zum Bereitstellen der Steuerdrücke der Membranventile 106, 120, 202 und eine fluidische Ebene mit Kanälen 104 mit üblicherweise Flüssigkeiten aufweisen. Die fluidische Ebene hat dabei mindestens zwei Schnittstellen 110, 112 zur Außenwelt. Die fluidische Ebene weist zumindest einen Zugang 110 für die Probe, sowie einen Auslass 112 für prozessierte Flüssigkeit oder, falls die diese Restflüssigkeit auf dem Lab-on-Chip 102 zurückgehalten wird, eine Öffnung 112 zur Entlüftung auf.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden alle Ventile 106, 120, 202 des mikrofluidischen Netzwerkes 102 derart geschaltet, dass zwischen den beiden Schnittstellen 110, 112 ein mikrofluidischer Pfad 200 entsteht, dessen Durchlässigkeit ausschließlich vom Aktuierungszustand des zu prüfenden Ventils 120 abhängt. Anschließend wird ein pneumatischer Differenzdruck ∆p zwischen den zwei Schnittstellen 110, 112 der fluidischen Ebene angelegt. Dann wird eine Durchlässigkeit des Pfades 200 in Abhängigkeit des Aktuierungszustands des zu prüfenden Ventils 120 bestimmt. Das Schema wird für alle Ventile 106, 202 des Systems 102 wiederholt.
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3 zeigt eine Darstellung eines mikrofluidischen Systems 102 während eines Impulstests gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das mikrofluidische System 102 entspricht im Wesentlichen dem mikrofluidischen System in den 1 und 2. im Gegensatz dazu ist die Vorrichtung 100 zum Testen anders ausgeführt. Die Einrichtung 114 zum Anlegen ist hier ebenfalls als Pumpe 114 ausgeführt. Im Gegensatz zu 2 ist die Saugseite der Pumpe 114 mit der Umgebung 300 verbunden. Die Druckseite der Pumpe 114 ist wie in 2 mit dem Einlass 110 des mikrofluidischen Systems 102 verbunden.
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Die Einrichtung 118 zum Erfassen weist hier ein Prüfventil 302 und einen Drucksensor 304 auf. Das Prüfventil 302 ist als Wegeventil ausgebildet. In einer ersten Schaltstellung verbindet das Prüfventil 302 den Auslass 112 und den Drucksensor 304 mit der Umgebung 300. In einer zweiten Schaltstellung verbindet das Prüfventil 302 den Auslass 112 mit dem Drucksensor 304. Der Drucksensor 304 verschließt den Auslass 112 fluiddicht. Durch das Prüfventil 302 kann also das zweite Teilstück des Pfads 200 zwischen dem zu prüfenden Ventil 120 und dem Auslass 112 wechselweise drucklos geschalten und mit Druck beaufschlagt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel kann also von der Druckquelle 114 der Differenzdruck ∆p bereitgestellt werden, während das zu prüfende Ventil 120 geöffnet ist und das Prüfventil 302 den Auslass 112 mit der Umgebung 300 verbindet. Dadurch wird der maximal mögliche Fluidstrom durch den Pfad 200 strömen. Wenn das Prüfventil 120 geschlossen wird, baut sich innerhalb des mikrofluidischen Systems 102 beziehungsweise innerhalb des Pfads 201 statischer Überdruck auf, der den maximal von der Druckquelle 114 bereitgestellten Druck erreicht, wenn keine Druckverluste innerhalb des Pfads 200 auftreten.
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Anschließend kann das zu prüfende Ventil 120 geschlossen werden. Dann wird das Prüfventil 302 geöffnet, um den Druck im zweiten Teilstück des Pfads 200 abzubauen. Wenn das Prüfventil 302 wieder geschlossen wird, registriert der Drucksensor 304 bei ordnungsgemäß funktionierendem Ventil 120 keinen oder nur einen Druckanstieg innerhalb spezifizierter Toleranzen. Wenn das Ventil 120 jedoch nicht schließt, steigt der Druck am Drucksensor 304 erneut deutlich an.
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Ebenso kann direkt das Prüfventil 302 geöffnet werden, um den Druck im gesamten Pfad 200 abzubauen. Wenn das Prüfventil 302 wieder geschlossen wird, registriert der Drucksensor 302 bei bestimmungsgemäß geöffnetem Ventil 120 einen raschen Druckanstieg auf den Maximaldruck. Wenn das Ventil 120 jedoch nicht vollständig öffnet, steigt der Druck am Drucksensor 304 nur langsam an.
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In einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Verfahrens wird anstatt eines Flusssensors ein Drucksensor 304, beispielsweise ein Absolutdrucksensor 304 oder ein Relativdrucksensor 304 verwendet, welcher je nach Schaltzustand eines Prüfventils 302 entweder mit einer Schnittstelle 112 oder mit Atmosphärendruck 300 verbunden ist. Wenn der Drucksensor 304 auf Atmosphärendruck 300 geschaltet ist, so gilt dies auch für die Schnittstelle 112. Um die Durchlässigkeit des zu testenden Ventils 120 zu messen, befindet sich der Drucksensor 304 zunächst in Verbindung mit Atmosphärendruck 300 und wird erst dann mit der Schnittstelle 112 verbunden, wenn der erste Schaltzustand („offen" oder „geschlossen") am zu testenden Ventil 120 anliegt. Der Pfad 200 hinter dem zu testenden Ventil 120 ist nun abgeschlossen, sodass je nach Durchlässigkeit des zu testenden Ventils 120 ein exponentieller Druckanstieg mit einer charakteristischen Zeit tau gemessen werden kann. Vor der Messung des zweiten Schaltzustands des zu testenden Ventils 120 werden der Drucksensor 304 und die Schnittstelle 112 wieder kurzzeitig mithilfe des Prüfventils 302 auf Atmosphäre 300 gelegt. Ein defektes Ventil 120 kann dadurch erkannt werden, dass die mithilfe des Drucksensors 304 gemessene charakteristische Zeit tau des Druckanstiegs im Zustand „geschlossen" oberhalb eines Grenzwerts bzw. im Zustand „offen" unterhalb eines Grenzwerts liegt. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass auch sehr geringe Undichtigkeiten am zu testenden Ventil 120 bestimmt werden können, da ein sehr genauer Drucksensor 304 mit einer Genauigkeit von ca. 1 mbar verwendet werden kann und die Empfindlichkeit über die Messdauer stark erhöht werden kann.
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4 zeigt eine Darstellung eines mikrofluidischen Systems 102 während eines Dichtigkeitstests gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das mikrofluidische System 102 entspricht im Wesentlichen dem mikrofluidischen System in den 1 bis 3. Das hier dargestellte mikrofluidische System 102 weist in den Pfad 201 Leck 400 auf. Durch das Leck kann Fluid aus dem mikrofluidischen System 102 ausströmen. Die Vorrichtung 100 zum Testen entspricht in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen der Darstellung in 2. Zusätzlich dazu weist die Einrichtung 118 zum Erfassen einen zweiten Durchflusssensor 402 auf. Der erste Durchflusssensor 204 ist wie in 2 auf der Saugseite der Pumpe 114 zwischen dem Auslass 112 und der Pumpe 114 angeordnet. Der zweite Durchflusssensor 402 ist auf der Druckseite der Pumpe 114 zwischen der Pumpe 114 und dem Einlass 110 angeordnet.
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Wie in den vorangegangenen Darstellungen sind in dem Pfad 200 ein erstes Ventil 404, ein zweites Ventil 406, ein drittes Ventil 408, ein viertes Ventil 410 und ein fünftes Ventil 412 angeordnet. Das erste Ventil 404 ist unmittelbar nach dem Einlass 110 angeordnet. Das fünfte Ventil 412 ist unmittelbar vor dem Auslass 112 angeordnet. Die restlichen Ventile 406, 408, 410 sind nacheinander zwischen dem ersten Ventil 404 und dem fünften Ventil 412 entlang des Pfads 200 angeordnet. Das dritte Ventil 408 ist in den 2 und 3 als das zu prüfende Ventil gezeigt.
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Das Leck 400 befindet sich im Kanalabschnitt zwischen dem dritten Ventil 408 und dem vierten Ventil 410. Wenn der Differenzdruck ∆p von der Druckquelle 114 bereitgestellt wird, fließt durch den zweiten Durchflusssensor 402 der von der Pumpe 114 bereitgestellte Einlassvolumenstrom. Dieser Volumenstrom fließt durch das erste Ventil 404, das zweite Ventil 406 und das dritte Ventil 408. An dem Leck 400 zweigt ein Leckstrom als Verlust ab. Daher fließt durch das vierte Ventil 410 und das fünfte Ventil 412 ein verringerter Volumenstrom. Dieser verringerte Auslassvolumenstrom fließt ebenfalls durch den ersten Durchflussmesser 204. Wenn der Pfad 200 leckfrei ist, erreicht der Auslassvolumenstrom am ersten Durchflussmesser 204 den gleichen Wert, wie der Einlassvolumenstrom am zweiten Durchflussmesser 402. Wenn der Pfad das Leck 400 aufweist, ist der Auslassvolumenstrom am ersten Durchflussmesser 204 kleiner als der Einlassvolumenstrom am zweiten Durchflussmesser 402.
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Um das Leck 400 zu lokalisieren, können die Ventile 404, 406, 408, 410, 412 auf den Pfad 200 beginnend mit dem fünften Ventil 412 der Reihe nach geschlossen werden wenn das fünfte Ventil für 112 geschlossen ist registriert der erste Durchflussmesser 204 keinen Volumenstrom mehr. Der zweite Durchfluss Messer 402 registriert jedoch noch den Leckstrom. Erst wenn das dritte Ventil 408 geschlossen ist, versiegt auch der Leckstrom. Damit ist das Leck 400 zwischen dem dritten Ventil 408 und dem vierten Ventil 410 lokalisiert.
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Innerhalb des mikrofluidischen Systems 102 kann es zu Lecks 400 kommen. Beispielsweise kann ein Leck 400 aufgrund einer undichten Fügeverbindung entlang der mikrofluidischen Kanäle entstehen. Um diese Art von Lecks 400 festzustellen, kann das System 102 beispielsweise unter pneumatischen Überdruck gesetzt werden und innerhalb eines Wasserbads der Austritt von Luftblasen festgestellt werden. Alternativ können ähnliche Dichtheitstests mit Hilfe von mit Überdruck angelegten Prüfgasen durchgeführt werden und diese Prüfgase im Leckbereich nachgewiesen.
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In einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes ist das Verfahren so modifiziert, dass Undichtigkeiten innerhalb der fluidischen Ebene festgestellt werden können. Zusätzlich kann die Leckstelle 400 durch eine geeignete Schaltung von Ventilen 404, 406, 408, 410, 412 in ihrer Position eingegrenzt werden. Hierdurch kann die Ursache einer Leckstelle 400 besonders schnell gefunden und beseitigt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz ist anhand von Membranventilen beschrieben, ist jedoch auch für andere Ventiltypen verwendbar, beispielsweise Drehventile.
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Das folgende Ausführungsbeispiel ist zur Detektion von Leckstellen 400 innerhalb der mikrofluidischen Pfade 200 besonders vorteilhaft.
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Dabei wird zumindest ein Flusssensor 402 eingesetzt, welcher den Fluss an den Schnittstellen 110, 112 misst. Anschließend wird ein Pfad 200 durch das mikrofluidische System 102 gewählt, entlang dessen die Dichtheit untersucht werden soll, was in 4 beispielhaft mit Pfeilen angedeutet ist. Das Vorhandensein einer Leckstelle 400 kann in diesem Fall dadurch nachgewiesen werden, dass zunächst beispielsweise durch ein nicht dargestelltes externes Ventil der Zugang zu einer der beiden Schnittstellen 110, 112 verschlossen wird, während alle Ventile 404, 406, 408, 410, 412 innerhalb des mikrofluidischen Systems 102 entlang des gewählten Pfads 200 geöffnet sind. Ohne Leckstelle 400 würde auf diese Weise ein verschwindender Fluss gemessen. Ist eine Leckstelle 400 vorhanden, strömt Gas über diese in den mikrofluidischen Pfad 200 ein oder aus, sodass ein Fluss messbar wird.
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In einem Ausführungsbeispiel werden nun einzelne Ventile 404, 406, 408, 410, 412 oder Ventilgruppen entlang des mikrofluidischen Pfads 200 geschlossen und dabei der Fluss gemessen. So würde man bei dem dargestellten Beispiel beim Schließen des fünften Ventils 412 einen Fluss mithilfe des Flusssensors 402 messen. Dies gilt auch, wenn zusätzlich das vierte Ventil 410 geschlossen wird. Wird allerdings das dritte Ventil 408 und/oder das zweite Ventil 406 geschlossen, verschwindet der gemessene Fluss. Auf diese Weise ist es möglich, die Leckstelle 400 zwischen den Ventilen 408, 410 zu lokalisieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Ursache für das Leck 400 besonders schnell zu finden und zu beheben.
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Statt der Flusssensoren 402, 204 ist für dieses Verfahren auch der Einsatz von Drucksensoren nach dem Prinzip von 3 möglich.
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Da diese Verfahren die Dichtheit der integrierten Ventile 404, 406, 408, 410, 412 voraussetzen, ist es besonders vorteilhaft, das Verfahren zur Identifikation von Leckstellen 400 mit dem Verfahren zur Überprüfung der Ventildichtheit zu kombinieren.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Testen eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 500 weist einen Schritt 502 des Anlegens, einen Schritt 504 des Betätigens und einen Schritt 506 des Erfassens auf. Das Verfahren 500 ist dazu geeignet, ein mikrofluidisches System mit zumindest einem Kanal zwischen einem Einlass des Systems und einem Auslass des Systems sowie zumindest einem in dem Kanal angeordneten Ventil zu testen. Beispielsweise ist das Verfahren 500 dazu geeignet, ein mikrofluidisches System, wie es in den 1 bis 4 dargestellt ist zu testen. Das Verfahren 500 kann auf einer Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Im Schritt 502 des Anlegens wird eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass angelegt. Im Schritt 504 des Betätigens wird das zu testende Ventil betätigt. Im Schritt 506 des Erfassens wird eine fluidische Rückkopplung des Systems erfasst, um einen fluidischen Pfad zwischen dem Einlass und dem Auslass auf eine Funktionsfähigkeit zu überprüfen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 500 einen Schritt 508 des Ausbildens auf. Der Schritt 508 des Ausbildens wird vor den Schritten 502, 504, 506 des Anlegens, Betätigens und Erfassens durchgeführt. Im Schritt 508 des Ausbildens wird der Pfad ausgebildet, indem andere Ventile, die abseits des Pfads angeordnet sind, geschlossen werden.
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Mit anderen Worten wird ein Verfahren 500 zur Funktionskontrolle von mikrofluidischen Membranventil-Verschaltungen vorgestellt. Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird direkt die Zielfunktion des Ventils bestimmt.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein Verfahren 500, welches es erlaubt, alle verwendeten Ventile und Pumpkammern zerstörungsfrei auf ihre konkrete Dichtwirkung hin zu prüfen sowie andere Lecks innerhalb des mikrofluidischen Systems nachzuweisen und zu lokalisieren.
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Das hier vorgestellte Verfahren 500 kann entweder bei der Herstellung verwendet werden, insbesondere jedoch auch direkt im Laborgerät vor der eigentlichen Durchführung des Tests. Auf diese Weise können Lab-on-Chips (LoCs) vom Test ausgeschlossen werden, welche beispielsweise durch unsachgemäßen Transport oder Lagerung beschädigt wurden. Auf diese Weise wird das Risiko eines fehlerhaften Ergebnisses und den damit verknüpften Konsequenzen reduziert.
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Im Folgenden wird der hier vorgestellte Ansatz anhand des zu testenden Ventils beschrieben.
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Im ersten Schritt 508 des Verfahrens 500 werden alle verfügbaren Ventile und andere mikrofluidische Elemente so geschaltet, dass sich zwischen zweien der Schnittstellen ein mikrofluidischer Pfad ergibt, dessen Durchlässigkeit ausschließlich vom Schaltzustand des zu testenden Ventils abhängt. Der Pfad ist durch Pfeile in 2 angedeutet.
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Im nächsten Schritt 502 des Verfahrens wird ein Differenzdruck zwischen den beiden Schnittstellen angelegt. Dieser Differenzdruck wird bereitgestellt von einem Druckgenerator. Als Prüfmedium kann vorzugsweise ein Gas verwendet werden, beispielsweise ein Luftgemisch oder Stickstoff. Im Pfad zwischen dem Druckgenerator und den Schnittstellen befindet sich außerdem ein Flusssensor, beispielsweise ein Massenflusssensor für Gase.
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In den nächsten Schritten 504 und 506 des Verfahrens wird mithilfe des Flusssensors die Durchlässigkeit des Pfades geprüft, wobei das zu testende Ventil mindestens jeweils ein Mal den Zustand „geschlossen" und „offen" durchläuft. Ein defektes Ventil kann dadurch erkannt werden, dass der mithilfe des Flusssensors gemessene Fluss im Zustand „geschlossen" oberhalb eines Grenzwerts bzw. im Zustand „offen" unterhalb eines Grenzwerts liegt.
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Anschließend werden die eben genannten Schritte 508, 502, 504, 506 für jedes zu testende Ventil wiederholt, wobei der mikrofluidische Pfad und die verwendeten Schnittstellen für jedes zu testende Ventil neu bestimmt werden.
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Dabei wird beispielsweise ein Differenzdruck Δp von 10 mbar bis 5 bar, vorzugsweise 300 mbar bis 1 bar an den Schnittstellen angelegt. Wenn das zu testende Ventil funktionstüchtig ist, dann resultiert im Ventilzustand offen ein Fluss von 0,1 µl/s bis 1000 µl/s, vorzugsweise 3 µl/s bis 100 µl/s. Im Ventilzustand geschlossen resultiert ein Fluss von 0,001 nl/s bis 100 nl/s, vorzugsweise 0,1 nl/s bis 10 nl/s. Bei einer Messung des Druckanstiegs am Auslass des Systems ergibt sich eine charakteristische Zeit tau im Ventilzustand offen von 10 ms bis 1000 ms. Im Ventilzustand geschlossen ergibt sich eine charakteristische Zeit tau von 10 s bis 1000 s.
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Das hier vorgestellte Verfahren 500 kann auf einer externen Ausleseeinheit mit beispielsweise Flusssensoren und/oder Drucksensoren ausgeführt werden. Der vorgestellte Ablauf der Testsequenz 500 kann insbesondere vor der eigentlichen Durchführung des diagnostischen Tests ausgeführt werden. Die Testsequenz kann durch das Schalten von externen Pilotventilen gesteuert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann für mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme zur medizinischen Diagnostik und in vitro Diagnostiksystemen verwendet werden.
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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. Die gezeigten mikrofluidischen Systeme sind nur beispielhaft gewählt und können beispielsweise in Bezug auf eine Anzahl und Art der Verzweigung der Kanäle, sowie einer Anzahl und Anordnung der Ventile und Kammern sowie der Anschlüsse anders ausgeführt 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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