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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme, Abgabe und Bewegung von Fluiden, die auch als mikrofluidisches System bezeichnet werden kann.
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Das Aufnehmen und Abgeben von Flüssigkeiten und Gasen sowie deren Bewegung einschließlich des Mischens in fluidischen Systemen, speziell mikrofluidischen Systemen, erfolgt häufig über eine extern angeschlossene Pumpe, die über eine fluidische Schnittstelle mit dem fluidischen System verbunden ist, über in das fluidische System integrierte Spritzenpumpen oder über Membranventile. Alle diese Lösungen benötigen ein entsprechendes Betriebsgerät, um die Pumpen oder Ventile betreiben zu können, und sind nicht dazu geeignet, Funktionen wie das Aufnehmen, Abgeben und Bewegen von Flüssigkeiten in Lab-on-a-Chip-Systemen auf einfache Weise umzusetzen.
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Die externen Pumpen zur Manipulation von Lab-on-a-Chip-Systemen benötigen eine fluidische Schnittstelle, zu deren Nutzung weitere Komponenten notwendig sind und die wie alle fluidischen Schnittstellen das Risiko der Leckage beinhaltet.
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Direkt in fluidische Systeme integrierte Spritzenpumpen vermeiden eine fluidische Schnittstelle nach außen, benötigen aber ein weiteres Element, den Stößel, um Flüssigkeiten zu bewegen.
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WO 2007 / 057 744 A2 beschreibt ein mikrofluidisches System mit einem flexiblen Bereich über einer Kammer.
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Membranventile bieten den Vorteil, dass diese ohne fluidische Schnittstelle und ohne weitere Komponenten auskommen und lediglich eine vorgeformte Mulde und einen beweglichen Deckel zur Aktuierung benötigen. Dabei sind diese so gestaltet, dass sie sowohl pneumatisch als auch mechanisch betrieben werden können. Der Betrieb dieser Membranventile erfolgt in der Regel über ein entsprechendes Betriebsgerät
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein mikrofluidisches System anzugeben, bei dem die Aufnahme, die Abgabe, der Transport und das Mischen ohne eine externe Pump- oder Saugvorrichtung, vorzugsweise auch manuell, möglich ist. Eine besondere Eigenschaft des mikrofluidischen Systems ist, dass eine Mehrfachabgabe von Flüssigkeiten möglich ist. Darüber hinaus sollte die Herstellung des mikrofluidischen Systems möglichst einfach und kostengünstig möglich sein.
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Die Aufgabe wird durch ein mikrofluidisches System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wird ein mikrofluidisches System angegeben, beispielsweise wie in 2 oder 3 als Querschnitt dargestellt, umfassend eine strukturierte Komponente mit einer Kammer und einem Kanalsystem, die mit einem Bauteil fluiddicht verschlossen sind, wobei die Kammer über das Kanalsystem und eine fluidische Schnittstelle mit der Außenwelt fluidisch verbunden ist.
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Die Kammer ist durch einen flexiblen oder beweglichen Bereich begrenzt, der in den Kammerbereich oder über eine Ebene der Kammer hinaus bewegt werden kann. Die Ebene der Kammer ist dabei die Begrenzung der Kammer an der Seite zur Kammer.
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Durch die Bewegung des flexiblen Bereichs können Flüssigkeiten oder Gase durch die fluidische Schnittstelle aufgenommen oder abgegeben werden bzw. im fluidischen System bewegt werden.
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Dabei kann der bewegliche Bereich händisch oder mit einem entsprechenden Betriebsgerät bewegt werden. Eine Option ist dabei das Eindrücken oder Hochbewegen des flexiblen Bereichs in unterschiedliche Positionen. Besonders vorteilhaft sind die Möglichkeit der definierten Fluidabgabe und -aufnahme durch die Kombination der Kammer mit einem kleinen Kanalsystem, der Mehrfachaufnahme und -abgabe von Flüssigkeiten sowie die Möglichkeit des händischen Betriebs.
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In einem Ausführungsbeispiel wird ein mikrofluidisches System angegeben, umfassend eine strukturierte Komponente mit einer Kammer und einem Kanalsystem, die mit einem weiteren Bauteil dicht verschlossen sind, wobei die Kammer über das Kanalsystem und eine fluidische Schnittstelle mit der Außenwelt fluidisch verbunden ist; dabei wird der flexible Bereich durch die Wände der Kammer gebildet.
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Besonders vorteilhaft ist hier, dass auch ein seitliches Drücken der Kammer das Bewegen der Flüssigkeit ermöglicht oder der Kompressionseffekt durch die flexiblen Kammerwände verstärkt werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel wird ein mikrofluidisches System angegeben, wie es in 2 dargestellt ist, umfassend ein strukturiertes Bauteil oder eine strukturierte Komponente sowie ein weiteres Bauteil, das die Kammer und das Kanalsystem dicht verschließt, wobei die Kammer über das Kanalsystem und die fluidische Schnittstelle mit der Außenwelt verbunden ist; dabei ist das strukturierte Bauteil derart ausgeführt, dass der Kammerboden flexibel ist und eingedrückt oder ausgedehnt werden kann.
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Vorteilhaft bei dieser Ausführungsvariante ist, dass der Boden besonders flexibel gestaltet werden kann und eine Fertigung mittels Zweikomponentenspritzguss möglich ist, so dass die flexible Komponente zusammen mit einer weiteren Komponente gespritzt werden kann. Alternativ kann auch gleich das Grundmaterial des strukturierten Bauteils hinlänglich flexibel sein, um die Funktionalität des Bauteils zu gewährleisten.
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In einem Ausführungsbeispiel wird ein mikrofluidisches System mit einer Kammer angegeben, wobei die Kammer über ein weiteres Kanalsystem mit einer fluidischen Schnittstelle verbunden ist, wie in 6 dargestellt, wobei eine der fluidischen Schnittstellen mit einer Kappe verschlossen werden kann.
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Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsvariante ist, dass bei einer Flüssigkeitsaufnahme durch die zweite fluidische Schnittstelle eine Entlüftung stattfinden kann und zudem eine Flüssigkeitsaufnahme und -abgabe an verschiedenen Stellen erfolgen können. Der Verschluss mit einer Kappe verhindert weiterhin einen Flüssigkeitsaustritt an dieser Stelle. Weiterhin ist eine entsprechende Positionierung des mikrofluidischen Systems vorteilhaft, da bei der Flüssigkeitsabgabe die abgebende fluidische Schnittstelle nach unten geneigt ist.
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Vorzugsweise enthält das mikrofluidische System eine Entlüftungsoption für die Kammer, die über einen zusätzlichen mit der Außenwelt in Verbindung stehenden Kanal oder eine gasdurchlässige Membran erfolgen kann, wobei diese Entlüftungsvorrichtung optional geschlossen werden kann.
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Vorzugsweise enthält das mikrofluidische System einen Einlasskanal, der über eine passive Stoppfunktion, beispielsweise ein Kapillarstoppventil, eine Kanalverjüngung oder eine entsprechende Oberflächenmodifizierung, verfügt und entweder über eine Kapillarwirkung, die durch Oberflächenmodifikationen im zu befüllenden Bereich verstärkt sein kann, oder durch eine durch die beweglichen Bauteile herbeigeführte Veränderung des Kammervolumens eine definierte Menge Flüssigkeit aufnimmt.
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Die Aufnahme sehr genauer Volumina ohne das Verwenden von teuren Pipettiereinheiten ist hier besonders vorteilhaft.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das mikrofluidische System ein zusätzliches Reagenzienreservoir. Dieses kann beispielsweise als Blister ausgeformt sein, wie in 7 dargestellt.
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Besonders vorteilhaft ist hier, dass mehrere Fluide oder Trockenreagenzien miteinander gemischt werden können und das Reagenz zum Transport von aufgenommener oder im System vorgelegter Flüssigkeit genutzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Reagenzienreservoir als Blister ausgeformt, wie in 7 dargestellt, vorzugsweise wie in 8a mit einem Blistersitz, der über spitze Elemente verfügt, die den darüber sitzenden, flüssigkeitsdicht verbundenen Blister durchstoßen. Diese Ausführungsform verfügt über eine Klappe, die über Führungselemente im Blistersitz ein definiertes Einfügen der Klappe und damit eine definierte Volumendosierung ermöglichen, die durch spezielle Ausführung der Führungselemente auch mehrstufig erfolgen kann. Dabei ist der flüssigkeitsdichte Verschluss der fluidischen Anschlussstelle für die Flüssigkeitsaufnahme beispielsweise über eine Kappe, wie in 7b dargestellt, sinnvoll. Die Kappe kann auch mit einem Transportelement, z.B. ein Dorn oder Stößel, versehen sein, der in den Kanal hineinragt und somit die darin befindliche Flüssigkeit transportiert, wenn die Kappe auf die fluidische Schnittstelle gesetzt wird. Darüber hinaus oder alternativ kann die Kappe auch einen flexiblen Bereich aufweisen, der nach dem Aufsetzen eingedrückt oder auch herausgezogen werden kann, um somit die im Kanal befindliche Flüssigkeit zu bewegen. Beim Eindrücken wird die Flüssigkeit weiter in den Kanal gedrückt. Beim Herausziehen des flexiblen Bereichs wird Flüssigkeit aus dem Kanal in Richtung der fluidischen Schnittstelle befördert. Dadurch lassen sich auch kleine Bewegungen generieren.
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Besonders vorteilhaft ist hier, dass so definierte Flüssigkeitsvolumina aus dem Blister abgegeben werden können und dies auch manuell hoch präzise erfolgen kann. Damit kann in Kombination mit einer definierten Volumenaufnahme ein exaktes Mischungsverhältnis eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt das mikrofluidische System über einen langen Kanal zur Kammer hin. Dieser lange Kanal ist besonders vorteilhaft, da damit eine Geschwindigkeit der Flüssigkeitsaufnahme eingestellt werden kann und Reagenzien in den Kanal eingebracht werden können, die durch die lange Mitführung im Kanal optimal resuspendieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der lange Kanal zur Kammer hin zusätzliche Aufweitungen auf. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, da in den Aufweitungen Reagenzien vorkonfektioniert werden können und eine verbesserte Durchmischung durch ein unterschiedliches Flussprofil erfolgen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das mikrofluidische System eine Kavität zum optischen Auslesen und/oder für eine Reaktion, siehe 9a und 9b, die vorzugsweise noch verschiedene Tiefen aufweisen kann. Besonders vorteilhaft ist hier, dass direkt eine optische Detektion erfolgen kann und bei einer Ausführung der Detektionskammer mit mehreren Tiefen auch der dynamische Bereich vergrößert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das mikrofluidische System, wie in 10 dargestellt, einen Lateral Flow Streifen, dessen Befüllung durch den Betrieb der Kammer ermöglicht wird. Eine Ausführungsvariante beinhaltet eine Entlüftungsmembran, eine andere einen Entlüftungskanal. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit der Flüssigkeitsaufnahme, die manuell betrieben werden kann, mit der direkten Möglichkeit der Auslese über den Lateral Flow-Streifen. Gerade gezielte Belüftungsoptionen ermöglichen die Kombination des durch die Kammer erzielten Unterdruck-getriebenen Flusses mit der nachfolgenden Flüssigkeitsbewegung durch die Saugwirkung des Lateral Flow Streifens.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das mikrofluidische System mehr als eine Kammer, wie in 11 dargestellt, die über ein Kanalsystem miteinander verbunden sind und in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sein können. Besonders vorteilhaft ist, dass eine Weiterleitung und ein Hin- und Herschieben sowie ein aktives Mischen über die Veränderung der Kammervolumina durch die flexiblen Elemente ermöglicht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das mikrofluidische System Aufsätze auf den flexiblen Bauteilen, die sich entweder außerhalb der Kammer befinden, siehe 5a - 5d, oder in die Kammer hineinreichen, siehe 5e - 5f. Besonders vorteilhaft ist hier eine genaue Definition des aufzunehmenden bzw. abzugebenden Volumens, das damit auch bei händischem Betrieb unabhängig von der Kraft oder Fingergröße des Nutzers ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt das mikrofluidische System über vorgelegte Reagenzien in der Kammer. Besonders vorteilhaft ist hier, dass die Kammer nicht nur der Flüssigkeitsbewegung dient, sondern das Kammervolumen direkt zum Auflösen, Reagieren und Mischen von Reagenzien genutzt werden kann. Insbesondere vorgelegte Trockenreagenzien ermöglichen hier eine besonders vorteilhafte Nutzung der Kammer.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Mischen durch in die Kammer eingebrachte, bewegliche Elemente möglich, wie Kugeln oder Stäbe, die auch magnetisch sein können. Das Mischen kann zusätzlich durch Strukturelemente in der strukturierten Komponente verstärkt werden. Besonders vorteilhaft ist hier, dass der einfache Aufbau des Systems ein besonders effektives Mischen in der Kammer erlaubt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt ein Mischen in der Kammer durch ein händisches Bewegen des mikrofluidischen Systems. Besonders vorteilhaft ist hier, dass der einfache Aufbau des Systems einen händischen Gebrauch ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt ein Mischen in der Kammer durch einen geräteseitigen Mischmechanismus. Besonders vorteilhaft ist hier, dass ein effizientes Mischen erfolgen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhalten die Kanalsysteme selbst Justiermarken oder es sind neben, unter oder über dem Kanalsystem Justiermarken angebracht, die eine Volumenangabe ermöglichen. Besonders vorteilhaft ist diese Markierung ähnlich eines Lineals, die es dem Nutzer erlaubt, das aufgenommene oder abgegebene Volumen abzulesen und die Aufnahme oder Abgabe von Volumina zu beenden oder weiter fortzusetzen, um definierte Volumen aufzunehmen oder abzugeben oder zu bewegen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine mehrfache Flüssigkeitsaufnahme bzw. -abgabe möglich. Besonders vorteilhaft ist hier, dass das mikrofluidische System zum mehrfachen Aufnehmen und Abgeben von Flüssigkeiten genutzt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind fluidische Schnittstellen an der strukturierten Komponente vorgesehen, die in verschiedene Richtungen zeigen, beispielsweise senkrecht zur Ebene des fluidischen Systems oder in einem speziellen Winkel vom fluidischen System abgehend. Besonders vorteilhaft ist hier, dass durch eine spezielle Geometrie die Auf- bzw. Abgabe von Flüssigkeiten in speziell geformte Oberflächen oder Gefäße erfolgen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere fluidische Schnittstellen vorgesehen. Dies ist besonders vorteilhaft, da dann eine Abgabe und Aufnahme von Flüssigkeiten an verschiedenen Stellen gleichzeitig oder nacheinander erfolgen kann.
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In Kombination mit einem Verteilersystem wird die Aufnahme und Abgabe an mehreren Stellen gleichzeitig oder nacheinander möglich. Bei Nutzung eines reinen Verteilersystems kann eine gleichzeitige Abgabe oder Aufnahme von Flüssigkeiten über die Bewegung der flexiblen Elemente erfolgen, siehe 12a.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Aufnahme bzw. Abgabe der Flüssigkeiten über Membranventile gesteuert, siehe 12b. Dies ist besonders vorteilhaft, da damit eine individuelle Fluidaufnahme bzw. Fluidabgabe an unterschiedlichen fluidischen Schnittstellen durch die Bewegung der flexiblen Elemente in der Kammer erfolgen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Aufnahme bzw. Abgabe der Flüssigkeiten über Drehventile gesteuert, siehe 12c und 12d, die einen Drehventilsitz und einen rotierenden, die unterschiedlichen Teile des Kanalsystems verbindenden Drehventilkörper mit Verbindungskanal aufweisen. Dies ist besonders vorteilhaft, da damit eine individuelle Fluidaufnahme bzw. Fluidabgabe an unterschiedlichen fluidischen Schnittstellen durch die Bewegung der flexiblen Elemente in der Kammer erfolgen kann.
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Das fluidische System ist als mikrofluidisches System ausgebildet. Die strukturierte Komponente ist vorzugsweise und im Wesentlichen aus Kunststoff hergestellt.
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Beim flexiblen Element kann das gesamte Bauteil z.B. als Folie aus Kunststoff hergestellt sein. Es ist aber auch möglich, einen in die anderen Bauteile eingebrachten flexiblen Kunststoff wie Silikon oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) oder ein bewegliches mechanisches Element aus einem beliebigen Material zu verwenden.
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Das mikrofluidische System wird auch als Daumenpumpe bezeichnet, da sich das flexible Bauteil besonders leicht mit dem Daumen bedienen lässt.
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Figurenliste
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- 1a zeigt eine Draufsicht für eine nicht erfindungsgemäße Ausführung des mikrofluidischen Systems mit einer Kammer;
- 1b zeigt eine Schnittansicht des mikrofluidischen Systems gemäß 1a;
- 1c zeigt eine Ansicht des mikrofluidischen Systems gemäß 1a von unten;
- 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform des mikrofluidischen Systems;
- 3 zeigt eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform des mikrofluidischen Systems;
- 4 zeigt Ausgestaltungen einer fluidischen Schnittstelle mit verschiedenen Auslassgeometrien;
- 5a-5d zeigen Druckelemente auf dem flexiblen Bereich;
- 5e-5f zeigen in die Kammer hineinragende Elemente an der strukturierten Komponente;
- 6a, 6b zeigen Ausführungsvarianten des mikrofluidischen Systems mit zwei separaten fluidischen Schnittstellen;
- 7a, 7b zeigen Ausführungsvarianten des mikrofluidischen Systems mit Blister, Stoppfunktion und Kappe;
- 8a-8e zeigen Details eines Blisters;
- 9a zeigt ein Kanalsystem mit Aufweitungen;
- Fig .9b zeigt ein Kanalsystem mit Aufweitungen und einer optischen Detektionskammer;
- 10a zeigt ein mikrofluidisches System mit einem Lateral-Flow-Streifen;
- 10b zeigt ein mikrofluidisches System mit einer gasdurchlässigen und flüssigkeitsdichten Membran;
- 10c zeigt ein mikrofluidisches System mit einem Entlüftungskanal;
- 11 zeigt ein mikrofluidisches System mit einem kombinierten Kammersystem;
- 12a- 12d zeigen mikrofluidische Systeme mit Verteilersystemen.
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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikrofluidisches System mit einer strukturierten Komponente 1, in der eine Kammer 2 ausgebildet ist und die ein Kanalsystem 3 aufweist, welches auf einer ersten Seite der strukturierten Komponente 1 in die strukturierte Komponente 1 eingelassen ist. Die Kammer 2 ist auf der ersten Seite der strukturierten Komponente 1 mit einem Bauteil 4 fluiddicht verschlossen. Die Kammer 2 ist über das Kanalsystem 3 und eine fluidische Schnittstelle 5 mit der Außenwelt fluidisch verbunden. Die strukturierte Komponente 1 ist derart ausgeführt, dass ein Kammerboden 7 flexibel ausgestaltet ist und eindrückbar oder ausdehnbar ist.
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Alternativ ist die Kammer 2 auf einer dem Bauteil 4 gegenüberliegenden Seite von einem weiteren Bauteil 8 verschlossen. Das weitere Bauteil 8 weist im Bereich der Kammer 2 einen flexiblen oder beweglichen Bereich 9 auf. Zusätzlich oder alternativ sind Wände der Kammer 2 als flexibler oder beweglicher Bereich ausgebildet. Der flexible oder bewegliche Bereich 9 des weiteren Bauteils 8 oder die flexiblen Wände der Kammer 2 oder der flexible Kammerboden 7 sind ausgebildet, um wenigstens in einem Bereich der Kammer 2 händisch oder mit einem Betriebsgerät in die Kammer 2 hineingedrückt oder aus der Kammer 2 herausbewegt zu werden, sodass Flüssigkeiten oder Gase durch die fluidische Schnittstelle 5 aufgenommen oder abgegeben bzw. im mikrofluidischen System bewegt werden können, wobei durch ein Anheben oder Niederdrücken des flexiblen oder beweglichen Bereichs 7 oder 9 das Aufnehmen, Abgeben, Verschieben oder Mischen von Flüssigkeiten oder Gasen ermöglicht wird.
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein mikrofluidisches System mit einer Kammer 2, die über einen flexiblen oder beweglichen Teil 7, 9, zumeist den Boden oder Deckel, in speziellen Ausführungsformen aber auch bewegliche Wände, verfügt, der durch ein Anheben oder Niederdrücken das Aufnehmen, Abgeben, Verschieben oder Mischen von Flüssigkeiten oder Gasen erlaubt, die über zumindest einen Kanal 3 oder eine Öffnung mit der Kammer 2 verbunden sind.
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Dabei sind die Kammer 2 und der bewegliche Teil 7, 9 so ausgestaltet, dass der bewegliche Teil 7, 9 ein vorbestimmtes, aber einstellbares Volumen der Kammer 2 verdrängen kann und so beispielsweise unterschiedliche Volumina bei der Rückführung des beweglichen Teils 7, 9 in eine andere Position oder in die Ausgangsposition in der Kammer 2 aufgenommen werden oder abgegeben werden können.
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Eine beispielhafte, jedoch nicht erfindungsgemäße Ausführung der Kammer 2 ist in 1a skizziert. Dabei ist die Kammer 2 Teil eines mikrofluidischen Systems, das in 1a als Draufsicht und in 1b als Querschnitt skizziert ist.
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Es wird eine strukturierte Komponente 1 mit einer Kammer 2 angegeben, die mit einem Kanalsystem 3 verbunden ist, das in diesem Fall über eine fluidische Schnittstelle 5 fluidisch mit der Außenwelt verbunden ist. Ein Bauteil 4 verschließt das Kanalsystem 3 und die Kammer 2 flüssigkeits- und gasdicht, so dass die Zufuhr und Abgabe von Flüssigkeiten und Gasen nur über die fluidische Schnittstelle 5 erfolgen kann.
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Dabei ist das Bauteil 4 hinlänglich flexibel oder es gibt einen flexiblen Bereich 6 z.B. oberhalb der Kammer 2 als direkten Bestandteil des Bauteils 4 oder als weitere Komponente des Systems.
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In 2 und 3 sind erfindungsgemäße Ausführungsformen dargestellt. In 2 verfügt die strukturierte Komponente 1 über einen flexiblen Bereich 7 unterhalb der Kammer 2, der entweder über das Aufbringen eines weiteren Bauteils in die strukturierte Komponente 1 realisiert wird oder direkt über die Materialeigenschaft der strukturierten Komponente 1 selbst oder durch die Fertigung aus mehr als einem Material z.B. durch Mehrkomponentenspritzguss umgesetzt wird.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Hier ist die strukturierte Komponente 1 mit zwei Bauteilen 4 und 8 verschlossen, wobei das weitere Bauteil 8 oder beide Bauteile 4 und 8 über einen flexiblen Bereich 6, 9 verfügen können. In 3 ist exemplarisch ein flexibler Bereich 9 im Bauteil 8 dargestellt.
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Eine Vorzugsvariante ist die Ausführung als strukturierte Komponente 1 mit einer Deckelfolie, die eine ausreichende Flexibilität zum Eindrücken und Anheben oberhalb bzw. unterhalb der Kammer 2 aufweist.
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Vorzugsweise ist die Kammer 2 derart ausgestaltet, dass die flexiblen Bereiche 6, 7, 9 beim Hineindrücken in die Kammer 2 nicht die gesamte Kammer 2 ausfüllen, d.h. der flexible Bereich 6, 7, 9 nicht bündig mit dem Kammerboden abschließt. Weiterhin ist für die Funktionalität ein dichtes Abschließen der flexiblen Bereiche 6, 7, 9 mit dem Kammerboden oder den sich anschließenden Kanalsystemen 3 nicht notwendig.
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Ein beispielhafter Betrieb dieser Art der Ausführungsform, wie in 1a dargestellt, erfolgt wie folgt:
- 1. Aufnehmen von Flüssigkeit: Zum Aufnehmen von Flüssigkeiten / Gasen wird der flexible Bereich 6, 7, 9 händisch oder mittels eines Gerätes heruntergedrückt. Anschließend wird die fluidische Schnittstelle 5 in eine Flüssigkeit getaucht. Der flexible Bereich 6, 7, 9 geht entweder selbsttätig (aufgrund der Materialeigenschaft des flexiblen Bereichs) aus der Kammer 2 teilweise oder vollständig zurück oder durch eine Handhabung im Gerät, z.B. über ein Ansaugen oder Abheben. Durch den entstehenden Unterdruck wird Flüssigkeit in das mikrofluidische System gezogen. Über das Einstellen des durch das Herunterdrücken verdrängten Volumens und bzw. oder ein definiertes Zurückführen des flexiblen Bereiches 6, 7, 9 lässt sich das Aufnahmevolumen bzw. die Positionierung der Flüssigkeit im mikrofluidischen System einstellen.
- 2. Mischen von Flüssigkeiten: Ein Mischen der aufgenommenen Flüssigkeit kann derart erfolgen, dass die Flüssigkeit in die Kammer 2 gezogen wird und entweder der flexible Bereich 6 bewegt wird oder das mikrofluidische System selbst bewegt wird. Das Bewegen des mikrofluidischen Systems erfolgt vorzugsweise durch ein mehrfaches Kippen des mikrofluidischen Systems unter Vermeidung eines schnellen Schüttelns, um die Entstehung von Luftblasen zu vermeiden.
- 3. Abgabe von Flüssigkeiten: Die Abgabe von Flüssigkeiten mittels des erfindungsgemäßen Systems erfolgt derart, dass das Bauteil 4, 8 mit dem flexiblen Bereich 6, 7, 9 oder die mehreren Bauteile mit einem flexiblen Bereich 6, 7, 9 in die Kammer 2 gedrückt werden. Die Flüssigkeit, die sich entweder in der Kammer 2 oder im fluidischen Kanalsystem 3 befindet, wird entsprechend dem durch die Bewegung verdrängten Volumen abgegeben. Dabei können mehrfach Flüssigkeitsvolumina abgegeben werden, entweder durch einen immer tiefer in die Kammer 2 hineingedrückten flexiblen Bereich 6, 7, 9 oder durch ein Eindrücken des flexiblen Bereichs 6, 7, 9, ein anschließendes Herausgehen des flexiblen Bereichs 6, 7, 9 aus der Kammer 2, einhergehend mit dem Rückfluss zumindest eines Teils der Flüssigkeit im verbundenen Kanalsystem 3, gefolgt von einem wiederholten Eindrücken des flexiblen Bereichs 6, 7, 9 zur erneuten Flüssigkeitsabgabe.
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Aus diesen Basisfunktionalitäten ergeben sich folgende Charakteristika für das erfindungsgemäße System:
- 1. Eine Aufnahme, Abgabe, Dosierung bzw. ein Transport von Flüssigkeiten ist möglich,
- 2. Mehrfachaufnahme und Mehrfachabgabe von Flüssigkeiten sind möglich,
- 3. Ein Mischen von Flüssigkeiten ist möglich.
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Durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems kann das mikrofluidische System durch die Ausgestaltung der Kammer 2 und der flexiblen Bereiche 6, 7, 9 als Pipette mit Funktionen der Flüssigkeitsaufnahme, -abgabe und dem mehrfachen Auf- und Abgeben von Flüssigkeiten genutzt werden. Dabei kann die Bedienung vollständig manuell ohne weitere Hilfsmittel oder mittels eines Gerätes erfolgen.
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Zur Optimierung der Auf- und Abnahme von Flüssigkeiten sind folgende Funktionalitätsoptionen des erfindungsgemäßen Systems möglich.
- 1. Fluidische Schnittstelle 5: Die Ausgestaltung der fluidischen Schnittstellen 5, wie in 4 derart, dass durch eine spezielle Geometrie und bzw. oder deren Oberflächenmodifikation bzw. Materialbeschaffenheit ein definiertes Abreißen des Flüssigkeitstropfens erfolgt und Wunschvolumina voreingestellt werden können. Dabei ist die Auslassgeometrie 10 der fluidischen Schnittstelle 5 für das abgegebene Flüssigkeitsvolumen mitentscheidend.
- 2. Druckelement: Um ein definiertes Eindrücken oder Herausziehen der flexiblen Bereiche 6, 7, 9 zu ermöglichen und auch beim Handbetrieb keine Unterschiede durch personenabhängige Krafteinwirkung oder Fingergröße zu erhalten, können auf die flexiblen Bereiche 6, 7, 9 Druckelemente 11, 12 aufgebracht werden, die entweder händisch oder durch ein Gerät betrieben werden können. Diese Druckelemente 11, 12 können auf den flexiblen Bereich 6, 7, 9 aufgebrachte Materialien sein, siehe 5a und 5b, im besonders einfachen Fall als eine Silikonhalbkugel, oder direkt mit dem flexiblen Bereich 6, 7, 9 gefertigt werden, beispielsweise durch Mehrkomponentenspritzguss eines speziell ausgestalteten flexiblen Bereichs 6, 7, 9, wie das in 5c und 5d dargestellte Druckelement 12. Alternativ kann ein definiertes Eindrücken auch über hochstehende Elemente 13 in der strukturierten Komponente 1 erreicht werden, wie dies in 5e und 5f dargestellt ist. Dabei zeigen die 5a, 5c und 5e jeweils den Ausgangszustand, und die 5b, 5d und 5f zeigen eine Position vor einer Flüssigkeitsaufnahme bzw. während der Flüssigkeitsabgabe.
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In 6a und 6b sind Ausführungsvarianten des mikrofluidischen Systems mit zwei separaten fluidischen Schnittstellen 5 gezeigt. Hier kann die Flüssigkeitsaufnahme durch eine andere fluidische Schnittstelle 5 erfolgen als die Flüssigkeitsabgabe. Dabei können die fluidischen Schnittstellen 5 auch durch eine Kappe 14 verschlossen werden, wie beispielhaft in 6b gezeigt, um eine Kontamination oder ein Austreten von Flüssigkeit aus der fluidischen Schnittstelle 5 zu vermeiden.
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Das mikrofluidische System kann durch ein Flüssigkeitsreservoir erweitert werden, beispielsweise durch sogenannte Blister 16, d.h. flüssigkeitsgefüllte, sich z.B. durch ein Anstechen öffnende Kompartimente, die auf das mikrofluidische System flüssigkeitsdicht montiert sind.
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Die Flüssigkeitsaufnahme lässt sich durch ein Niederdrücken des flexiblen Bereichs 6, 7, 9 erreichen, wobei ein Austreten von Flüssigkeit aus der fluidischen Schnittstelle 5 durch das Aufsetzen einer Kappe 14 verhindern werden kann, wenn weitere Flüssigkeit durch das Entleeren des Flüssigkeitsreservoirs 16 die Flüssigkeit des Kanalsystems 3 in die Kammer 2 drückt und die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 16 ebenfalls in die Kammer 2 strömt.
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Ein Mischen der Flüssigkeiten kann durch eine Bewegung des mikrofluidischen Systems, durch Bewegungen des flexiblen Bereichs 6, 7, 9 oder durch eingebrachte Mischelemente erfolgen. Dabei können die Mischelemente, z.B. Kugeln, durch die manuelle Bewegung der Plattform oder beim Einsatz magnetischer Materialien auch durch ein Gerät zum Mischen führen.
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7a zeigt eine Ausführungsvariante dieses mikrofluidischen Systems, das zwei Arten der Flüssigkeitsaufnahme kombinieren kann. Durch die als Fluideingang dienende fluidische Schnittstelle 5 erfolgt die Probenaufnahme entweder durch ein Herunterdrücken des flexiblen Bereichs 6, 7, 9 der Kammer 2 oder über eine passive Befüllung durch Kapillarkräfte des Kanalsystems 3 speziell am Fluideingang. Die Sogwirkung und damit die Befüllgeschwindigkeit kann durch eine Hydrophilisierung der Kanaloberfläche verstärkt bzw. beschleunigt werden. Werden noch passive Ventile wie beispielsweise Kapillarstoppventile, z.B. Kanalverjüngungen, eingesetzt, kann damit das Volumen der aufgenommenen Flüssigkeit festgelegt werden. Damit wird eine definierte Menge Flüssigkeit aufgenommen, wobei eine Verschlusskappe 14 beim Entleeren des Flüssigkeitsreservoirs 16 das Austreten der Flüssigkeit verhindert. Ein definierter Ausdrückmechanismus, z.B. das Einrasten einer Klappe 19, wie in 8b und 8d dargestellt, ermöglicht das Einführen einer definierten Menge Flüssigkeit und damit ein gut definiertes Mischverhältnis der beiden Flüssigkeiten. Dieses Prinzip ist auf weitere Flüssigkeitsreservoire erweiterbar und damit für Mehrfachmischungen einsetzbar. 8a-8e stellen Details eines Blistersitzes 17 dar, der über Durchstechelemente 18 z.B. in Form kleiner Spitzen verfügt. Eine Ausführungsform eines Ausdrückmechanismus mit einer Klappe 19, die in Rastnasen 20 des Blistersitzes 17 eingebracht ist, zeigt 8b. 8c zeigt den montierten Blister 16, 8d den niedergedrückten Ausdrückmechanismus, in diesem Fall die Klappe 19. 8e zeigt Details des Blistersitzes 17.
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Die Kombination mit einer Verweilstrecke, die mit Reagenzien, beispielsweise eingetrockneten Reagenzien, befüllt sein kann, ist eine weitere Option. Dabei kann sowohl ein langes Kanalsystem 3 oder auch ein Kanalsystem mit Aufweitungen 22 zur besseren Vermischung oder ein weiteres passives Mischelement genutzt werden, wie in 9a gezeigt. Die Kombination mit einer optischen Detektionskammer 21 oder Reaktionskammer, wie in 9b dargestellt, ist eine weitere Option. Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausgestaltung der Detektionskammer 21 mit verschiedenen Tiefen, um den dynamischen Bereich der Messung zu erweitern.
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Eine weitere Option der Erweiterung der Kammerfunktionalität ist die Einbringung eines Lateral-Flow-Streifens 23, siehe 10a, der mittels der Pumpfunktion definiert befüllt werden kann, so dass auch eine Kombination aus einer Befüllung durch die Pumpwirkung der Kammer 2 und die Saugwirkung des Lateral-Flow-Streifens 23 erfolgen kann.
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Die Nutzung von Entlüftungskanälen 25 oder gasdurchlässigen und flüssigkeitsdichten Membranen 24 zum Betrieb des Systems ist besonders vorteilhaft. Dies ist beispielsweise für die gasdurchlässigen und flüssigkeitsdichten Membranen in 10b und für Entlüftungskanäle in 10c dargestellt.
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Die Nutzung von miteinander kombinierten Kammersystemen 3, die dann gleichzeitig als Misch-, Reaktions-, Pump- und Dosiereinheit zum Einsatz kommen, ist eine weitere Ausführungsform und in 11 dargestellt.
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12a - 12d zeigen Verteilersysteme, die durch die Bewegung des flexiblen Bereichs 6, 7, 9 und die damit verbundene Änderung des Kammervolumens eine gleichzeitige oder nacheinander geschaltete Flüssigkeitsaufnahme bzw. -abgabe erlauben. Die Nutzung von Membranventilen 27, wie in 12b dargestellt, erfordert ein Eindrücken der Membranventile 27 und einen flüssigkeitsdichten Verschluss derselben, um Kanäle 3 einzeln oder gemeinsam zu verschließen und damit über die fluidischen Schnittstellen 5 die Flüssigkeitsaufnahme bzw. -abgabe umsetzen zu können. Die Option mit einem Drehventil 28 erlaubt je nach Ausgestaltung des im Drehventilkörper 29 integrierten Verteilerkanals die sequentielle oder parallele Flüssigkeitsaufnahme bzw. -abgabe über die fluidischen Schnittstellen 5, die wiederum über die Änderung des Kammervolumens gesteuert wird.
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Es ist auch möglich, ein oder mehrere Membranventile 27 und/oder Drehventile 28 in einem mikrofluidischen System zu kombinieren.
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Generell gilt für das erfindungsgemäße mikrofluidische System, dass alle für die Nutzung von Flüssigkeiten beschriebenen Vorgänge gleichbedeutend mit Gasen gelten und auch eine Kombination flüssiger und gasförmiger Substanzen mit diesem System möglich ist, beispielsweise die gezielte Zuführung von Gasen in Flüssigkeiten.
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- 1
- strukturierte Komponente
- 2
- Kammer
- 3
- Kanalsystem
- 4
- Bauteil
- 5
- fluidische Schnittstelle
- 6, 7, 9
- flexibler Bereich
- 8
- weiteres Bauteil
- 10
- Auslassgeometrien der fluidischen Schnittstelle
- 11, 12
- Druckelemente
- 13
- hochstehende Elemente
- 14
- Kappe
- 15
- Kanalverjüngung
- 16
- Flüssigkeitsreservoir, Blister
- 17
- Blistersitz
- 18
- Durchstechelemente des Blisters
- 19
- Klappe des Blisters
- 20
- Rastnasen
- 21
- Detektionskammer
- 22
- Kanalsystem mit Aufweitung
- 23
- Lateral-Flow-Streifen
- 24
- gasdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membran
- 25
- Entlüftungskanal
- 27
- Membranventil
- 28
- Drehventil
- 29
- Drehventilkörper
