DE102018219091A1 - Vorrichtung und verfahren zum transport magnetischer partikel - Google Patents

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Markus Rombach
Nils Paust
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Abstract

Eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Partikel. Die Vorrichtung kann ein Substrat, das für eine Rotation um eine Rotationsachse ausgelegt sein kann, aufweisen. Ferner können Fluidikstrukturen in dem Substrat angeordnet sein, die eine schräge Kammerwand aufweisen können, die in einem Winkel α bezüglich einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet sein kann. Ein Magnetkraftelement kann bezüglich der Rotationsachse radial innerhalb der schrägen Kammerwand angeordnet sein und ausgelegt sein, um abhängig von einer Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement den Fluidikstrukturen eine Magnetkraft auf die in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel auszuüben, wobei die schräge Kammerwand zu dem Magnetkraftelement hin geneigt ist. Ferner kann die Vorrichtung einen Antrieb aufweisen, der ausgelegt sein kann, um das Substrat mit einer Rotation um die Rotationsachse zu beaufschlagen, wodurch sich die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und den Fluidikstrukturen kontinuierlich ändert, um dabei, während einer 360° Drehung, eine Kraft auf die magnetischen Partikel auszuüben, um die magnetischen Partikel entlang der schrägen Kammerwand und nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, zu transportieren.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport magnetischer Partikel.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Im Folgenden werden drei bestehende Ansätze aus dem Feld der zentrifugalen Mikrofluidik vorgestellt, die eine automatische Manipulation magnetischer Partikel in einem rotierenden System erlauben.
  • Strohmeier et al. haben eine Methode namens „Gas-phase transition magnetophoresis“ (GTM) patentiert [1] und publiziert [2], Bei dieser Methode zum Transport magnetischer Partikel befindet sich eine zentrifugal-mikrofluidische Kartusche („LabDisk“ genannt) unterhalb eines stationären Permanent-Magneten. Hierbei kann jedoch eine während der GTM wirkende Magnetkraft auf Partikel nicht quantifizierbar eingestellt werden, da Flüssigkeiten in einem Stillstand in einem nicht kontrollierten Zustand vorliegen (bezüglich der Ausbildung der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas). Ferner ist die Methode nicht universell (d. h. für Flüssigkeiten mit beliebigen Benetzungseigenschaften) anwendbar. Stark benetzende Flüssigkeiten (z. B. Alkohole oder Tenside, die häufig in der Nukleinsäure-Extraktion verwendet werden) können während der notwendigen Phasen des Stillstands entlang der Kanten des mikrofluidischen Netzwerks entlang kriechen (Concus-Finn-Bedingung). In Konsequenz dessen kann sich eine unerwünschte Vermischung verschiedener Flüssigkeiten ergeben, wodurch die Qualität der durchzuführenden Analyse beeinträchtigt werden kann. Zudem wird mit der Methode lediglich ein Bruchteil der theoretisch nutzbaren Magnetkraft genutzt, da die Hauptkomponente des Magnetkraft-Vektors (Fmag ) in der beschriebenen Konfiguration orthogonal zur dem Permanent-Magneten zugewandten Wand der Kartusche wirkt (Fs ) und nicht in Transportrichtung der Partikel (Fp ), wodurch ein Transport der Partikel nicht sehr effizient mit der Methode durchgeführt werden kann.
  • Verschiedene weitere Gruppen haben in der Vergangenheit magnetische Partikel zum Mischen von Flüssigkeiten in zentrifugal-mikrofluidischen Testträgern verwendet. Grumann et al. [3] haben ein Verfahren veröffentlicht, das in vergleichbarer Weise in einem Patentantrag von Andersson et al. [4] beschrieben ist. Bei den oben genannten Veröffentlichungen werden, ähnlich der GTM Methode [2], Permanent-Magnete ober- bzw. unterhalb der zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche angeordnet, so dass die Partikel in der Kartusche durch Rotation derselben mit jeder Umdrehung das Magnetfeld der Permanent-Magnete durchlaufen, was zu einer Durchmischung der Flüssigkeiten aufgrund einer magnetischen induzierten Partikelbewegung führt. Diese beschriebenen Arbeiten ermöglichen jedoch lediglich die Kontrolle von Partikelbewegungen innerhalb einer mikrofluidischen Kammer und nicht den Transport zwischen unterschiedlichen Kammern.
  • Bei der oben genannten Automatisierung von Laborprozessen in zentrifugalen, mikrofluidischen Kartuschen ergibt sich daher die Herausforderung, die Bewegung der magnetischen Partikel gezielt zu manipulieren um die gewünschten Operationen umzusetzen. In der zentrifugalen Mikrofluidik sind insbesondere die folgenden Problemstellungen unzureichend gelöst:
    • - Zum momentanen Zeitpunkt gibt es keine Methode, die eine quantitative Prognose über die Kräfte erlaubt, welche zum Zeitpunkt des Transfers der Partikel aus einer Flüssigkeit heraus auf die Partikel wirken.
    • - Bestehende Methoden erlauben entweder das Mischen oder den Transfer oder das Zurückhalten von Partikeln, jedoch nicht alle diese Einheitsoperationen gleichzeitig.
    • - Bestehende Methoden erlauben keine Kontrolle der auf die magnetischen Partikel wirkenden Kraft auf Grundlage der Kammergeometrie (passive, monolithische) Kontrolle.
    • - Bestehende Methoden erlauben keinen kontrollierbaren Zustand der Flüssigkeiten während des Transfers von Partikeln von einer Kammer in eine andere Kammer.
    • - Bestehende Methoden sind nicht geeignet zur Handhabung von hochbenetzenden Flüssigkeiten (wie z. B. Alkoholen, Tensiden), welche jedoch in den oben genannten Anwendungsbereichen häufig verwendet werden.
  • In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf für ein Konzept, das einen besseren Kompromiss zwischen einer Steigerung der Zustandskontrolle der Flüssigkeiten während des Transfers von Partikeln, einer Vermeidung von einer Vermischung von Flüssigkeiten bei dem Transfer der Partikel und einer Verbesserung einer Effizienz des Transports der Partikel ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche mit dem Vorrichtungsanspruch 1 und dem Verfahrensanspruch 11 gelöst.
  • Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Partikel. Magnetische Partikel können beispielsweise Feststoffe sein, die typischerweise eine Größe von 1 pm bis 5 mm, 500 pm bis 2 mm oder 1 nm bis 1 mm aufweisen. Dabei kann ein magnetisches Kernmaterial vorliegen, welches para-, ferro- oder ferrimagnetisch sein kann. Möglich ist eine (anwendungsspezifische) Ummantelung des Kerns mit einem anderen Material, z. B. Siliziumdioxid oder einem Polymer. Die Ummantelung des Kerns kann wiederum von einem magnetischen Material ummantelt sein, welches wiederum von einem anderen Material ummantelt sein kann. Somit können die magnetischen Partikel zumindest zwei Schichten aufweisen. Die Oberfläche des Partikels kann mit verschiedenen Molekülen besetzt sein, die chemische Bindungen mit Analyten eingehen können, z. B. Silanol-Gruppen (SiOH), Silica-Gruppen (SiO2), Carboxyl-Gruppen (COOH), etc., oder Proteine, Antikörper oder Oligonukleotide, etc.. Die hierin aufgeführten Aufzählungen der Materialien, die die magnetischen Partikel aufweisen können, sind hierbei als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
  • Die Vorrichtung kann ein Substrat, das für eine Rotation um eine Rotationsachse ausgelegt sein kann, und Fluidikstrukturen in dem Substrat, die eine schräge Kammerwand aufweisen, die in einem Winkel α bezüglich einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene, angeordnet sein können, aufweisen. Das Substrat kann beispielsweise eine Scheibe mit einer Dicke senkrecht zu einer Kreisfläche in einem Bereich von 1 nm bis 5 cm, 10 nm bis 1 cm oder 100 nm bis 5 mm aufweisen und einen Durchmesser der Kreisflächen in einem Bereich von 2 cm bis 30 cm, 3 cm bis 20 cm oder 5 cm bis 10 cm aufweisen. Dabei sind die Kreisflächen z.B. senkrecht zu der Rotationsachse angeordnet. Das Substrat weist z. B. ein Material auf Polymerbasis auf, wie z. B. Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomere oder ein Glas, wie z. B. Siliziumdioxid. Die Rotationsachse kann beispielsweise durch ein Zentrum der Kreisflächen des Substrats führen und die zu der Rotationsachse senkrechte Ebene kann eine der beiden Kreisflächen des Substrats darstellen.
  • Ferner kann die Vorrichtung ein Magnetkraftelement aufweisen, das bezüglich der Rotationsachse radial innerhalb der schrägen Kammer angeordnet ist und ausgelegt ist, um abhängig von einer Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und den Fluidikstrukturen eine Magnetkraft auf die in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel auszuüben, wobei die schräge Kammerwand zu dem Magnetkraftelement hin geneigt ist. Optional kann die Vorrichtung mehrere Magnetkraftelemente aufweisen. Das eine oder die mehreren Magnetkraftelemente können einen Permanent-Magneten (z. B. Ferromagnet, Seltenerdmagnet, etc.), einen Elektromagneten oder teils einen Permanent-Magneten und teils einen Elektromagneten aufweisen. Die schräge Kammerwand kann in dem Substrat eine Position radial entfernt von der Rotationsachse aufweisen, so dass radial innerhalb der schrägen Kammerwand bedeuten kann, dass das Magnetkraftelement in einem Bereich von der Rotationsachse bis zu der Position der schrägen Kammerwand angeordnet sein kann. Somit ist das Magnetkraftelement z. B. radial weiter innen in Bezug auf die schräge Kammerwand angeordnet.
  • Die Vorrichtung kann ferner einen Antrieb aufweisen, der ausgelegt ist, um das Substrat mit einer Rotation um die Rotationsachse zu beaufschlagen, wodurch sich die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und den Fluidikstrukturen kontinuierlich ändert, um dabei, während einer Drehung um einen Winkel von 360° um die Rotationsachse, eine Kraft auf die magnetischen Partikel auszuüben, um die magnetischen Partikel entlang der schrägen Kammerwand und darüber hinaus nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, zu transportieren.
  • Das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die schräge Kammerwand, die in einem Winkel α zu dem Magnetkraftelement hin geneigt ist, ein Anteil der Magnetkraft, der zum Transport der magnetischen Partikel genutzt werden kann, in einem Vergleich zu einer nicht geneigten Kammerwand, gesteigert werden kann, wodurch die magnetischen Partikel schnell und effizient innerhalb der Fluidikstrukturen in dem Substrat transportiert werden können. Die schräge Kammerwand kann somit einen vereinfachten Transport der magnetischen Partikel in den Fluidikstrukturen ermöglichen, da somit geringere Reibungskräfte durch die Oberfläche der schrägen Kammerwand auf die magnetischen Partikel wirken, als zu einer Wand parallel zu der senkrechten Ebene und somit ein höherer Anteil der Magnetkraft zum Transport der Partikel genutzt werden kann. Der somit sehr effiziente Transport der magnetischen Partikel kann bei der kontinuierlichen Rotation des Substrats erfolgen, wodurch während des Transports der magnetischen Partikel ein Zustand einer Flüssigkeit in den Fluidikstrukturen (optional sind die magnetischen Partikel in der Flüssigkeit angeordnet) sehr gut durch die Vorrichtung kontrolliert werden kann, da durch die kontinuierliche Rotation z. B. ein definierter Ort eines Phasenübergangs (z. B. von der Flüssigkeit zu einem Gas in den Fluidikstrukturen) definiert werden kann. Somit wird durch die kontinuierliche Rotation zudem ermöglicht, dass ein Vermischen von Flüssigkeiten innerhalb der Fluidikstrukturen vermieden werden kann, da eine Position der Flüssigkeiten innerhalb der Fluidikstrukturen durch die kontinuierliche Rotation bestimmt werden kann und die Position gehalten werden kann.
  • Somit ist festzuhalten, dass die Vorrichtung durch die schräge Kammerwand und die kontinuierliche Rotation des Substrats einen effizienten Transport der magnetischen Partikel, bei vollständiger Zustandskontrolle der Flüssigkeit und einer Vermeidung eines Vermischens von Flüssigkeiten innerhalb der Fluidikstrukturen ermöglichen kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die schräge Kammerwand den Winkel α in einem Bereich von 0° bis 90° aufweisen. Dabei entspricht 0° beispielsweise einer schrägen Kammerwand parallel zu der senkrechten Ebene (bezüglich der Rotationsachse) und ein Winkel α von 90° entspricht beispielsweise einer schrägen Kammerwand, die parallel zu der Rotationsachse bzw. senkrecht zu der senkrechten Ebene angeordnet ist. Somit kann der Winkel α der schrägen Kammerwand so angepasst werden, dass die Magnetkraft, die auf die magnetischen Partikel ausgeübt wird, sehr groß ist, so dass die Magnetkraft nicht durch Reibungskräfte der Oberfläche der schrägen Kammerwand ausgelöscht wird, wodurch ein effizienter Transport der magnetischen Partikel durch die Vorrichtung ermöglicht wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Fluidikstrukturen in dem Substrat Ausnehmungen aufweisen, die die schräge Kammerwand aufweisen. Ferner können die Fluidikstrukturen eine Siegelstruktur aufweisen, die an einer Siegelfläche des Substrats, an die die Ausnehmungen angeordnet sind, angeordnet sein kann. Somit kann beispielsweise die schräge Kammerwand in dem Substrat angeordnet sein und die Ausnehmungen in dem Substrat durch die Siegelstruktur abgeschlossen werden. Dabei kann die Siegelstruktur der schrägen Kammerwand gegenüberliegen. Optional können die Fluidikstrukturen durch das Substrat oder durch die Siegelstruktur hindurch eine Verbindung nach außen aufweisen. Die Siegelstruktur ist z. B. eine Scheibe, die dieselben Dimensionen wie das Substrat aufweisen kann oder davon abweichende, wie z. B. eine geringere oder größere Dicke bzw. einen geringeren oder größeren Durchmesser. Da die Siegelstruktur beispielsweise fest mit dem Substrat über die Siegelfläche verbunden ist, kann der Antrieb der Vorrichtung sowohl das Substrat als auch die Siegelstruktur mit der kontinuierlichen Rotation um die Rotationsachse beaufschlagen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Magnetkraftelement an einem stationären Träger befestigt sein, der auf einer Seite des Substrats angeordnet ist, die gegenüber der Siegelfläche liegt. Somit kann das Magnetkraftelement auf Seiten der schrägen Kammerwand der Fluidikstruktur in dem Substrat und gegenüber der Siegelstruktur (das Substrat liegt beispielsweise zwischen dem Magnetkraftelement und der Siegelstruktur) angeordnet sein. Dadurch, dass das Magnetkraftelement auf dem stationären Träger befestigt ist, kann sich die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und den Fluidikstrukturen durch die kontinuierliche Rotation des Substrats ändern. Somit kann das Magnetkraftelement auf die magnetischen Partikel eine Magnetkraft ausüben, um die magnetischen Partikel während der Rotation von einer Position in dem Substrat zu einer anderen Position in dem Substrat zu transportieren. Optional weist die Vorrichtung mehrere Magnetkraftelemente auf, die an unterschiedlichen Positionen an dem stationären Träger angeordnet sein können. Somit kann der Transport der magnetischen Partikel sehr effizient gestaltet werden, da somit z. B. magnetische Partikel an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Fluidikstrukturen gleichzeitig mittels der Magnetkraft ihre Position ändern können und/oder die Magnetkraft erhöht wird, wodurch der Transport sehr schnell und effektiv erfolgen kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Fluidikstrukturen eine erste Fluidkammer, eine zweite Fluidkammer und eine Verbindung, die die erste Fluidkammer mit der zweiten Fluidkammer verbindet, aufweisen. Ferner kann zumindest eine der Fluidkammern die schräge Kammerwand aufweisen. Somit kann beispielsweise die erste Fluidkammer oder die zweite Fluidkammer die schräge Kammerwand aufweisen, mittels der die magnetischen Partikel durch die Magnetkraft entlang der schrägen Kammerwand zu der Verbindung transportiert werden können. Somit kann die schräge Kammerwand zu dem Magnetkraftelement und zu der Verbindung hin geneigt sein, um die magnetischen Partikel sehr effizient in Richtung der Verbindung zu führen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung ausgelegt sein, um die magnetischen Partikel über die Verbindung von der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer zu transportieren. Somit weist beispielsweise die erste Fluidkammer die schräge Kammerwand auf, wodurch die magnetischen Partikel während der kontinuierlichen Rotation entlang der schrägen Kammerwand zu der Verbindung und anschließend über die Verbindung zu der zweiten Fluidkammer transportiert werden können. Dabei kann die Verbindung radial weiter innen als die schräge Kammerwand, bezüglich der Rotationsachse, angeordnet sein, wobei das Magnetkraftelement bezüglich einer Position der Verbindung so angeordnet ist, dass die Magnetkraft, ausgeübt durch das Magnetkraftelement auf die magnetischen Partikel einen Transport der magnetischen Partikel über die Verbindung von der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer bewerkstelligt. Somit kann das Magnetkraftelement z. B. radial weiter innen als die Verbindung oder an eine minimalen radialen Position der Verbindung angeordnet sein. Dabei weist die minimale radiale Position der Verbindung z. B einen kleinsten Abstand zu der Rotationsachse auf, in einem Vergleich zu weiteren radialen Positionen entlang der Verbindung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Verbindung eine Innenwand aufweisen, die bezüglich der Rotationsachse eine geringere radiale Position als eine Außenwand aufweist und deren radiale Position sich in azimutaler Richtung auf die zweite Fluidkammer zu ändert, um eine Position der magnetischen Partikel bei einem Transport durch die Verbindung sowohl in azimutaler Richtung, von der ersten Fluidkammer in Richtung der zweiten Fluidkammer, als auch in einer Richtung nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, zu ändern, wenn das Substrat mit einer Drehfrequenz geringer als eine kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird. Somit kann sich die Position der Innenwand sowohl in azimutaler Richtung, d. h. z. B. in einer Richtung eines Einheitsvektors der Rotation um die Rotationsachse, als auch nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, entlang der azimutalen Richtung ändern. Somit kann die Innenwand der Verbindung beispielsweise von der ersten Fluidkammer zu der zweiten Fluidkammer hin eine Verringerung eines Abstandes zu der Rotationsachse (eine Veränderung nach radial innen) aufweisen.
  • Die Rotation des Substrats um die Rotationsachse kann die Drehfrequenz aufweisen. Ist die Drehfrequenz geringer als die kritische Drehfrequenz, so ist die Magnetkraft, die durch das Magnetkraftelement auf die magnetischen Partikel ausgeübt werden kann, z. B. größer als eine Zentrifugalkraft, die auf die Partikel ausgeübt werden kann, hervorgerufen durch die Rotation, wodurch die magnetischen Partikel innerhalb der ersten Fluidkammer entlang der schrägen Kammerwand nach radial innen zu der Verbindung transportiert werden können und innerhalb der Verbindung in azimutaler Richtung von der ersten Fluidkammer zu der zweiten Fluidkammer, mit einer weiteren radialen Positionsänderung nach radial innen (beispielsweise entlang der Innenwand der Verbindung), transportiert werden können. Somit können die magnetischen Partikel bei einem Transport nach radial innen auf die Innenwand auftreffen, deren radiale Position sich in azimutaler Richtung ändert, so dass die magnetischen Partikel auf ihrem Weg weiter nach radial innen auch in azimutaler Richtung auf dem Substrat (z. B. innerhalb der Fluidikstrukturen) bewegt werden und zwar in der Richtung von der ersten Fluidkammer, wo die magnetischen Partikel herkommen, zu der zweiten Fluidkammer.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich die radiale Position der Innenwand in azimutaler Richtung bis zu einem Wendepunkt nach radial innen verändern und sich die radiale Position ab dem Wendepunkt nach radial außen verändern, wobei die Innenwand ausgelegt sein kann, um die magnetischen Partikel aufgrund der Magnetkraft an diesem Wendepunkt aufzuhalten, wenn das Substrat mit der Drehfrequenz geringer als die kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird. Somit kann die Innenwand der Verbindung einen ersten Teilabschnitt aufweisen, von der ersten Fluidkammer zu dem Wendepunkt, in dem ein Abstand von der Innenwand zu der Rotationsachse sich kontinuierlich verringern kann und einen zweiten Teilabschnitt aufweisen, z. B. von dem Wendepunkt zu der zweiten Fluidkammer, an dem sich ein Abstand von der Innenwand zu der Rotationsachse kontinuierlich vergrößern kann. Somit ändert sich die radiale Position der Innenwand entlang der azimutalen Richtung beispielsweise zunächst nach radial innen und ab dem Wendepunkt nach radial außen.
  • Wie bereits weiter oben erklärt, kann bei einer Drehfrequenz, geringer als die kritische Drehfrequenz, die nach radial innen wirkende Magnetkraft größer sein als die nach radial außen wirkende, durch die Rotation hervorgerufene, Zentrifugalkraft. Somit können die magnetischen Partikel in einem Bereich um den Wendepunkt aufgehalten werden, da die magnetischen Partikel bei der Drehfrequenz geringer als die kritische Drehfrequenz nach radial innen gezogen werden, aber sich die Verbindung an dem Wendepunkt nach radial außen ändert. In anderen Worten kann die Änderung der radialen Position der Innenwand (z. B. in azimutaler Richtung entlang der Innenwand) ein Vorzeichen aufweisen. Die Änderung der radialen Position der Innenwand kann an einer Position (z. B. an dem Wendepunkt) auf einer radialen Achse zu der zweiten Fluidkammer das Vorzeichen wechseln, so dass die magnetischen Partikel durch die nach radial innen wirkende Magnetkraft an diesem Wendepunkt aufgehalten werden. Dabei können die magnetischen Partikel beispielsweise in einem Bereich um diesen Wendepunkt aufgehalten werden, wobei die magnetischen Partikel beispielsweise von einem nach radial außen verlaufenden Teil der Innenwand aufgehalten werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Innenwand nach dem Wendepunkt derart ausgebildet sein, um bei einem Beaufschlagen des Substrats mit einer Drehfrequenz größer als der kritischen Drehfrequenz, die Position der magnetischen Partikel sowohl in azimuthaler Richtung, in Richtung der zweiten Fluidkammer, als auch in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse, zu ändern, um die magnetischen Partikel in die zweite Fluidkammer zu transportieren. Ist die Drehfrequenz des Substrats, hervorgerufen durch die Rotation, größer als die kritische Drehfrequenz, so kann die Magnetkraft, die auf die magnetischen Partikel wirken kann geringer sein als die auf die Partikel wirkende Zentrifugalkraft, hervorgerufen durch die Rotation, wodurch die magnetischen Partikel nach radial außen, also von der Rotationsachse weg, (der Abstand zur Rotationsachse wird beispielsweise größer) transportiert werden können. Somit können die magnetischen Partikel von dem Wendepunkt in die zweite Fluidkammer transportiert werden.
  • Hierbei ist anzumerken, dass sich die Drehfrequenz des Substrats während des Transports der magnetischen Partikel zwar ändern kann, aber das Substrat kontinuierlich mit einer Rotation, die die Drehfrequenz aufweist, beaufschlagt werden kann. In anderen Worten kann die Änderung der radialen Position der Innenwand ein Vorzeichen aufweisen. Die Innenwand kann nach einer Änderung des Vorzeichens derart ausgerichtet sein, dass bei Beaufschlagen der kritischen Drehfrequenz, die bewirkt, dass die nach radial innen wirkende Magnetkraft auf die magnetischen Partikel durch die Zentrifugalkraft überwunden werden kann und die magnetischen Partikel nach radial außen transportiert werden können, sich die magnetischen Partikel in der zweiten Fluidkammer sammeln können.
  • Somit können die magnetischen Partikel unter Verwendung unterschiedlicher Drehfrequenzen, mit denen das Substrat beaufschlagt wird, durch die Verbindung von der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer transportiert werden. Dabei kann der Transport der magnetischen Partikel entlang der Innenwand der Verbindung der Fluidikstrukturen verlaufen und durch den Antrieb mittels der Rotation gesteuert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Verbindung derart in die zweite Fluidkammer münden, dass an der Mündungsstelle eine Stufe gebildet ist, die bei einem Wirken der Magnetkraft einen Transport der magnetischen Partikel von der zweiten Fluidkammer in die Verbindung der ersten Fluidkammer verhindert. Die Stufe kann beispielsweise so gebildet sein, dass sie von dem Magnetkraftelement weg zeigt, wodurch die magnetischen Partikel, die durch die Magnetkraft des Magnetkraftelements angezogen werden, entgegengesetzt der Richtung der Stufe bewegt werden, wodurch die magnetischen Partikel die Stufe nicht überwinden können. Die Richtung der Stufe ist hierbei z. B. definiert als eine parallel zu der Rotationsachse (oder mit einer Neigung von bis zu 45° von der zweiten Fluidkammer in Richtung der ersten Fluidkammer bezüglich der Rotationsachse) verlaufende Änderung einer Kammerwand der zweiten Fluidkammer von dem Magnetkraftelement weg. Dadurch kann ein richtungsabhängiger Transport, z. B. von der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer, bewerkstelligt werden, da die Stufe verhindern kann, dass die magnetischen Partikel von der zweiten Fluidkammer durch die Verbindung in die erste Fluidkammer transportiert werden. Mit diesem Merkmal kann ein sehr effizienter Transport der magnetischen Partikel von der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer bewerkstelligt werden, bei einer Vermeidung einer Vermischung von Flüssigkeiten bzw. magnetischer Partikel aus der zweiten Fluidkammer mit Flüssigkeiten bzw. magnetischen Partikel aus der ersten Fluidkammer, da ein Rücktransport verhindert wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Transport magnetischer Partikel, mit dem Schritt Rotieren eines Substrats um eine Rotationsachse mittels eines Antriebs, wobei dadurch eine Positionsbeziehung zwischen einem Magnetkraftelement und Fluidikstrukturen in dem Substrat kontinuierlich geändert wird. Eine Magnetkraft kann mittels eines Magnetkraftelements, abhängig von einer Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und Fluidikstrukturen in dem Substrat, auf in den Fluidikstrukturen angeordnete magnetische Partikel ausgeübt werden, wobei die Fluidikstrukturen in dem Substrat eine schräge Kammerwand aufweisen, die in einem Winkel α bezüglich einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene, angeordnet ist, wobei die schräge Kammerwand zu dem Magnetkraftelement hin geneigt ist und wobei das Magnetkraftelement bezüglich der Rotationsachse radial innerhalb der schrägen Kammerwand angeordnet ist. Ferner kann das Verfahren ein Transportieren der in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel entlang der schrägen Kammerwand nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, mittels einer Kraft, die während einer 360° Drehung, auf die Partikel ausgeübt wird, aufweisen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Drehfrequenz bei der Rotation so variiert werden, dass bei dem Ausüben der Magnetkraft in einer ersten Phase die Drehfrequenz eine kritische Drehfrequenz unterschreitet, wodurch die magnetischen Partikel durch die Magnetkraft entlang der schrägen Kammerwand in einer Richtung nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, aus einer ersten Fluidkammer transportiert und parallel zu einer Innenwand einer Verbindung zu einem Wendepunkt der Verbindung, zwischen der ersten Fluidkammer und einer zweiten Fluidkammer, transportiert werden, und in einer zweiten Phase die Drehfrequenz die kritische Drehfrequenz überschreitet, wodurch die magnetischen Partikel zentrifugal, in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse, von der Verbindung in die zweite Fluidkammer transportiert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest eine der zwei Fluidkammern zumindest teilweise mit einem flüssigen Medium gefüllt sein und die magnetischen Partikel können bei dem Transport über eine Phasengrenze (z. B. Meniskus=Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas in einer Fluidikstruktur) zwischen dem flüssigen Medium und einem gasförmigen Medium bewegt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Partikel zu einer Fluidkammer ohne flüssiges Medium transportiert werden und in der Fluidkammer ohne flüssiges Medium getrocknet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können beide Fluidkammern teilweise mit flüssigem Medium gefüllt sein, so dass bei dem Transport die magnetischen Partikel von einem ersten flüssigen Medium über gasförmiges Medium in ein zweites flüssiges Medium transportiert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Partikel in dem gasförmigen Medium getrocknet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste Fluidkammer so mit dem flüssigen Medium gefüllt sein, dass die Phasengrenze an der schrägen Kammerwand angeordnet ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die zweite Fluidkammer teilweise mit flüssigem Medium gefüllt sein und die erste Fluidkammer vollständig mit gasförmigem Medium gefüllt sein. Ferner kann die erste Fluidkammer die magnetischen Partikel aufweisen, so dass bei dem Transport die magnetischen Partikel von der ersten Fluidkammer über das gasförmige Medium in die zweite mit dem flüssigem Medium gefüllte Fluidkammer transportiert werden können. Die erste Fluidkammer weist somit z. B. kein flüssiges Medium auf. Es wird hierdurch ermöglicht, dass die magnetischen Partikel zunächst trocken oder halbtrocken (z. B. nur teilweise mit Flüssigkeit benetzt) z. B. aus der ersten Fluidkammer in das flüssige Medium der zweiten Fluidkammer transportiert werden. Optional können die magnetischen Partikel zunächst mit einem flüssigen Medium in einer nullten Fluidkammer der Vorrichtung in Kontakt getreten sein, bevor sie mittels des Verfahrens von der nullten Fluidkammer in die erste Fluidkammer transportiert werden, um dort zu trocknen. Anschließend können die magnetischen Partikel mittels des Verfahrens weiter in das flüssige Medium der zweiten Fluidkammer transportiert werden, wobei das flüssige Medium der zweiten Fluidkammer von dem flüssigen Medium der nullten Fluidkammer abweichen kann.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schematischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch als entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens davon abgeleitet werden können. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Flüssigkeit in Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3a eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen und einem Magnetkraftelement einer Vorrichtung zu einem ersten Zeitpunkt einer Rotation der Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3b eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen und einem Magnetkraftelement einer Vorrichtung zu einem zweiten Zeitpunkt einer Rotation der Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3c eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen und einem Magnetkraftelement einer Vorrichtung zu einem dritten Zeitpunkt einer Rotation der Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 4 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 5a eine schematische Darstellung einer Aufsicht einer Stufe von einer Verbindung zu einer zweiten Fluidkammer einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 5b eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Teils von Fluidikstrukturen einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 5c eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Teils von Fluidikstrukturen einer Vorrichtung in einer Seitansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 6 eine schematische Darstellung eines Transports von magnetischen Partikeln mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 7 eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 8 eine schematische Darstellung einer GTM-Methode, die mit einer Vorrichtung durchgeführt werden kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem Winkel α = 0° einer schrägen Kammerwand von Fluidikstrukturen der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 10a eine schematische Darstellung einer zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche;
    • 10b eine schematische Darstellung einer Magnetkraftelement-Geometrie, die für eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
    • 11a eine schematische Darstellung einer mikrofluidischen Struktur gemäß aktueller Technik;
    • 11 b eine schematische Darstellung einer zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche gemäß aktueller Technik; und
    • 12 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Transport magnetischer Partikel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Transport magnetischer Partikel 110. Die schematische Darstellung aus 1 kann einen Querschnitt durch die Vorrichtung 100 darstellen. Die Vorrichtung 100 kann ein Substrat 120, das für eine Rotation 132 um eine Rotationsachse 134 ausgelegt sein kann, aufweisen. Ferner können Fluidikstrukturen 140 in dem Substrat 120 angeordnet sein, die eine schräge Kammerwand 142 aufweisen können, die in einem Winkel α 144 bezüglich einer zu der Rotationsachse 134 senkrechten Ebene 145 angeordnet sein kann. Ein Magnetkraftelement 150 kann bezüglich der Rotationsachse 134 radial innerhalb der schrägen Kammerwand 142 angeordnet sein und ausgelegt sein, um abhängig von einer Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement 150 den Fluidikstrukturen 140 eine Magnetkraft 152 auf die in den Fluidikstrukturen 140 angeordneten magnetischen Partikel 110 auszuüben, wobei die schräge Kammerwand 142 zu dem Magnetkraftelement 150 hin geneigt ist. Ferner kann die Vorrichtung 100 einen Antrieb 130 aufweisen, der ausgelegt sein kann, um das Substrat 120 mit einer Rotation 132 um die Rotationsachse 134 zu beaufschlagen, wodurch sich die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement 150 und den Fluidikstrukturen 140 kontinuierlich ändert, um dabei, während einer 360° Drehung, eine Kraft 160 auf die magnetischen Partikel 110 auszuüben, um die magnetischen Partikel entlang der schrägen Kammerwand 142 und nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse 134, zu transportieren. Die resultierende Kraft 160 setzt sich unter anderem aus der Magnetkraft 152 und der Zentrifugalkraft 136 zusammen und ist nur schematisch in 1 dargestellt.
  • Die Kraft 160, die auf die magnetischen Partikel 110 wirken kann, kann sich z. B. aus der Magnetkraft 152, hervorgerufen durch das Magnetkraftelement 150, aus einer Zentrifugalkraft 136, hervorgerufen durch die Rotation 132, und Reibungskräften (z. B. Reibung zwischen den magnetischen Partikeln 110 untereinander, Reibung der magnetischen Partikel 110 an der schrägen Kammerwand 142, Reibung der magnetischen Partikel 110 an einem Umgebungsmedium (z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas) in den Fluidikstrukturen 140, etc.) zusammensetzen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Antrieb 130 in dem Substrat 120 integriert sein oder mit dem Substrat 120 in Kontakt stehen, um das Substrat 120 mit der Rotation 132 zu beaufschlagen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Antrieb 130 ein mechanischer Apparat (z. B. Motor, Uhrwerk, etc.) sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Winkel α 144 der schrägen Kammerwand 142 in einem Bereich von 0° bis 90° liegen (0°<α<90°). Der Winkel 144 kann so angepasst werden, dass Reibungskräfte der magnetischen Partikel 110 an einer Oberfläche der schrägen Kammerwand 142 minimiert werden, und somit eine hohe Kraft 160 die magnetischen Partikel 110 nach radial innen bezüglich der Rotationsachse, also auf die Rotationsachse 134 zu, wirkt. Je nach Positionierung des Magnetkraftelements 150 und der Fluidikstrukturen 140 kann der Winkel α 144 angepasst werden, damit die schräge Wand optimal zu dem Magnetkraftelement 150 hin geneigt ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Fluidikstrukturen 140 in dem Substrat 120 Ausnehmungen aufweisen, die die schräge Kammerwand 142 aufweisen können.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Magnetkraftelement 150 an einem stationären Träger 154 angeordnet sein, der auf einer Seite des Substrats 120 angeordnet ist, so dass das Magnetkraftelement 150 der schrägen Kammerwand 142 zugewandt angeordnet ist. So sollte beispielsweise zwischen dem Magnetkraftelement 150 und der schrägen Kammerwand 142 nicht ein Innenvolumen der Fluidikstrukturen 140 angeordnet sein, so dass die schräge Kammerwand 142 der Fluidikstrukturen 140 dem Magnetkraftelement 150 zugewandt angeordnet ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Fluidikstrukturen 140 eine erste Fluidkammer 170, eine zweite Fluidkammer 172 und eine Verbindung 174, die die erste Fluidkammer 170 mit der zweiten Fluidkammer 172 verbindet, aufweisen. Gemäß 1 weist z. B. sowohl die erste Fluidkammer 170 als auch die zweite Fluidkammer 172 die schräge Kammerwand 142 auf. Die Verbindung 174 ist in 1 nur schematisch dargestellt und kann im Detail anhand der 4, der 5a, der 5b und der 5c im Detail dargestellt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 100 aus 1 ausgelegt sein, um die magnetischen Partikel 110 über die Verbindung 174 von der ersten Fluidkammer 170 in die zweite Fluidkammer 172 zu transportieren. Dieser Transport erfolgt beispielsweise mittels einer Kontrolle der Rotation 132 durch den Antrieb 130 und durch das Magnetkraftelement 150, wodurch die Kraft 160 erzeugt wird, mit der die magnetischen Partikel 110 entlang der Verbindung 174 von der ersten Fluidkammer 170 in die zweite Fluidkammer 172 transportiert werden können. Dieser Transport wird z. B. in der 6 detailliert beschrieben.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Verbindung 174 aus 1 eine Innenwand aufweisen, deren radiale Position sich in azimutaler Richtung (z. B. in einer Richtung eines Einheitsvektors der Rotation 132) auf die zweite Fluidkammer 172 zu ändert, um eine Position der magnetischen Partikel 110 bei dem Transport durch die Verbindung 174 sowohl in azimutaler Richtung, von der ersten Fluidkammer 170 in Richtung der zweiten Fluidkammer 172, als auch in einer Richtung nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse 134, zu ändern, wenn das Substrat 120 mit einer Drehfrequenz geringer als eine kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird. Die radiale Position der Innenwand kann sich in azimutaler Richtung bis zu einem Wendepunkt nach radial innen verändern und sich ab dem Wendepunkt nach radial außen verändern. Die Innenwand kann ausgelegt sein, um die magnetischen Partikel 110 aufgrund der Magnetkraft 152 an diesem Wendepunkt aufzuhalten, wenn das Substrat 120 mit einer Drehfrequenz geringer als die kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird. Die Innenwand kann nach dem Wendepunkt derart ausgebildet sein, um bei einem Beaufschlagen des Substrats 120 mit einer Drehfrequenz größer als der kritischen Drehfrequenz, die Position der magnetischen Partikel 110 sowohl in azimutaler Richtung, in Richtung der zweiten Fluidkammer 172, als auch in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse 134, zu ändern, um die magnetischen Partikel 110 in die zweite Fluidkammer 172 zu transportieren. Optional kann die Innenwand nach dem Wendepunkt derart ausgebildet sein, um bei einem Beaufschlagen des Substrats 120 mit einer Drehfrequenz größer als der kritischen Drehfrequenz, die Position der magnetischen Partikel 110 sowohl in azimutaler Richtung, in Richtung der zweiten Fluidkammer 172, als auch in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse 134, zu ändern, um die magnetischen Partikel 110 in die zweite Fluidkammer 172 zu transportieren. Ferner kann die Verbindung 174 derart in die zweite Fluidkammer 172 münden, dass an einer Mündungsstelle eine Stufe gebildet ist, die bei einem Wirken der Magnetkraft 152 einen Transport der magnetischen Partikel 110 von der zweiten Fluidkammer 172 in die Verbindung 174 und zurück zu der ersten Fluidkammer 170 verhindern kann.
  • Die spezielle Ausgestaltung der Verbindung 174 kann einen effizienten Transport der magnetischen Partikel 110 richtungsabhängig von der ersten Fluidkammer 170 in die zweite Fluidkammer 172 über die Verbindung 174 ermöglichen. Dabei kann die Verbindung 174 so ausgestaltet sein, dass ein Transport der magnetischen Partikel 110 alleine durch die spezielle Anordnung des Magnetkraftelements 150 in Bezug auf die Rotationsachse 134 und einer Kontrolle der Rotation 132 durch den Antrieb 130 sehr effizient bewerkstelligt werden kann. Ferner kann die spezielle Ausgestaltung der Verbindung 174 dahin gehend optimiert sein, dass das Substrat 120 während des Transports der magnetischen Partikel 110 kontinuierlich durch den Antrieb 130 mit der Rotation 132 beaufschlagt werden kann und somit die Rotation 132 für den Transport nicht unterbrochen werden muss.
  • Im Folgenden wird die Vorrichtung 100 aus 1 in anderen Worten näher beschrieben.
  • Gegenstand der Erfindung ist die Vorrichtung 100 und ein Verfahren zum Transport der magnetischen Partikel 110 in einem rotierenden System (z. B. in dem mit der Rotation 132 beaufschlagten Substrat 120). Die Rotation 132 des Systems ist z. B. permanent, d. h. während des Prozesses ist die Drehfrequenz des Systems stets ungleich null.
  • In dem System befinden sich optional mit Flüssigkeit gefüllte Fluidkammern 170, 172, die jeweils durch ein Gasvolumen (das z. B. in der Verbindung 174 angeordnet ist) voneinander getrennt sind. In mindestens einer der Fluidkammern 170, 172 befinden sich z. B. die magnetischen Partikel 110.
  • Das rotierende System ist derart gegenüber einem stationären Magnetkraftelement 150 angeordnet, dass während der Rotation 132, in den Fluidkammern 170, 172 ein zeitlich und örtlich variierendes Magnetfeld im System erzeugt wird, welches eine Magnetkraft 152 auf die magnetischen Partikel 110 ausübt, wobei die maximale Magnetkraft (Die Magnetkraft ist z. B. proportional zu grad(B)*B, also zu „Gradient der Flussdichte * Flussdichte“. Dieser Term wird mit geringerem Abstand zu dem Magnetkraftelement 150 immer größer) auf die magnetischen Partikel 110 immer dann vorliegt, wenn die Fluidikstrukturen 140 den geringsten Abstand zu dem Magnetkraftelement 150 aufweisen. Das Magnetkraftelement 150 befindet sich z. B. in radialer Richtung näher am Drehzentrum (z. B. der Rotationsachse 134), als die Flüssigkeit in den Fluidkammern 170, 172.
  • Im rotierenden System und unterhalb einer kritischen Drehfrequenz überschreitet die Magnetkraft 152 die ihr entgegen wirkenden Kräfte: Die Zentrifugalkraft 136, welche auf die magnetischen Partikel 110 wirkt, eine Reibungskraft, welche auf sich in Flüssigkeit bewegende magnetischen Partikel wirkt, sowie eine Oberflächenspannung des Mediums (z. B. einer Flüssigkeit, wenn sich die magnetischen Partikel an einer Phasengrenze (z. B. zwischen der Flüssigkeit und einem gasförmigen Medium) befinden), in welchem sich die magnetischen Partikel 110 befinden können. Dadurch bewegen sich die magnetischen Partikel 110 zum Drehzentrum 134 hin.
  • Im rotierenden System und oberhalb einer kritischen Drehfrequenz überwiegt (hauptsächlich) die Zentrifugalkraft 136 die Magnetkraft 152 um ein Vielfaches, wodurch sich die magnetischen Partikel 110 vom Drehzentrum 134 wegbewegen.
  • Dies ermöglicht einen gerichteten Transport der magnetischen Partikel 110 von einer ersten Fluidkammer 170 zu einer zweiten Fluidkammer 172, da im Falle einer Unterschreitung der kritischen Drehfrequenz die magnetischen Partikel 110 eine relative Bewegung in Bezug auf das rotierende System vollführen.
  • Weiterhin kann ein Wert der auf die magnetischen Partikel 110 wirkenden Magnetkraft 152 im rotierenden System durch die darauf befindliche Geometrie variiert werden. Unterschiedlich tiefe Fluidkammern 170, 172 resultieren z. B. in einem unterschiedlichen Abstand der darin befindlichen magnetischen Partikel 110 zu dem Magnetkraftelement 150. Hierdurch ergeben sich z. B. Bereiche in den Fluidkammern 170, 172, an denen sich die magnetischen Partikel 110 bevorzugt aufhalten und Vorzugsrichtungen, in die sich die magnetischen Partikel 110 bewegen.
  • Die oben genannte Vorrichtung 100 und das beschrieben Verfahren ermöglichen bei geschickter Umsetzung z. B. zwei Funktionalitäten für den automatisierten Transport der magnetischen Partikel 110:
    1. a) Die auf die magnetischen Partikel 110 wirkende magnetische Kraft 152 kann im Bereich einer Flüssigkeits-Gas Grenze in einer Fluidkammer 170, 172 erhöht werden, indem die Fluidkammer 170, 172 eine schräge Kammerwand 142 zu dem Magnetkraftelement 150 hin aufweist. Dadurch wird der zum Partikeltransport genutzte Anteil der Magnetkraft 152 proportional zum Neigungswinkel 144 der schrägen Kammerwand 142 erhöht, sowie die Reibung der magnetischen Partikel 110 an der schrägen Kammerwand 142 um ebenjenen Faktor reduziert. Hierdurch entfällt z. B. die Notwendigkeit, die Rotation für den Partikeltransport zu unterbrechen.
    2. b) Durch die rückwärtsgewandte Stufe in Bezug auf eine Fluidkammertiefe (parallel zu der Rotationsachse 134) kann eine Funktion einer Diode bezüglich der Transportrichtung der magnetischen Partikel 110 implementiert werden.
  • Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im fL - mL Bereich in rotierenden Systemen wie der Vorrichtung 100. Das Substrat 120 kann optional als Polymer-Einwegkartusche realisiert werden, die zusammen mit oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden kann, mit der Absicht z. B. Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche, wie dem Substrat 120, implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Vorrichtung 100 optional Kanäle (z. B. die Verbindung 174) für eine Fluidführung (z. B. Flüssigkeitsführung), sowie Fluidkammern 170, 172 für ein Auffangen von Flüssigkeiten. Die Vorrichtung 100 kann mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, einem Frequenzprotokoll, beaufschlagt werden, sodass die in den Fluidikstrukturen 140 befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft 136 bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik.
  • Die Vorrichtung 100 kann als zentrifugal-mikrofluidische Scheibe („Lab-on-a-disk“, „LabDisk“, „Lab-on-CD“, etc.), die in speziellen Prozessiergeräten eingesetzt wird, realisiert werden.
  • Die Hauptanwendungsbereiche der Vorrichtung 100 umfassen dabei z. B. die Nukleinsäureanalytik, Zellanalytik, klinische Chemie oder Proteinanalytik. In diesen Bereichen werden häufig magnetische Partikel 110 mit einer Größe von 1 nm - 1 mm (auch „Beads“ genannt) eingesetzt. Dabei dienen die magnetischen Partikel 110 in der Regel als mobile Festphase, auf der spezifisch oder unspezifisch in einer Matrix (Gesamtheit einer zu analysierenden Probe. Beispiele: Blut, Urin, Rachenabstrich, Speichel etc.) vorhandene Analyten (Bestandteil einer Probe, der in einem Test analysiert werden soll) gebunden werden können. Ein solcher Prozess nennt sich positive Extraktion. Eine negative Extraktion kann durch eine Anbindung aller Bestandteile einer Matrix außer dem Analyten erreicht werden, wobei ein solches Vorgehen seltener Anwendung findet im Vergleich zur positiven Extraktion. Die magnetischen Partikel 110 erweisen sich in den beschriebenen Anwendungen als vorteilhaft, da sie aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften mit Hilfe eines externen Magnetfeldes manipuliert werden können. Beispiele hierfür sind das Zurückhalten bzw. Sammeln der magnetischen Partikel 110 in einer Suspension (z. B. in einer Flüssigkeit der ersten Fluidkammer 170), während die Flüssigkeit derselben ausgetauscht wird, oder das Mischen von Flüssigkeiten durch gezielte Bewegung der magnetischen Partikel mit Hilfe eines Magnetfeldes oder der Transfer von magnetischen Partikeln von einer Flüssigkeit in eine andere.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zur Positionskontrolle der magnetischen Partikel 110 in dem rotierenden System. Somit ist die Vorrichtung 100 ausgelegt, um bei minimalem Handhabungsaufwand, die Position und die Bewegung der magnetischen Partikel 110 während eines Prozesses zu kontrollieren. Ziel des Prozesses ist z. B. die automatisierte Extraktion eines Analyten aus einer Matrix oder die Extraktion von mit einer nachfolgenden Analyse interferierenden Matrixbestandteilen.
  • Somit ist festzuhalten, dass die Vorrichtung 100 ermöglichen kann, dass z. B. keine Unterbrechung der Rotation 132 notwendig ist, die Drehfrequenz z. B. der einzige variable Prozessparameter ist, wodurch die Vorrichtung 100 sehr einfach Partikel (hierin können die magnetischen Partikel 110 auch nur als Partikel bezeichnet werden) transportieren kann, Rückstellkräfte bei dem Partikeltransport durch die Neigung der schrägen Kammerwand 142 minimiert werden können, der Transport der magnetischen Partikel durch eine Dioden-Funktion durch die rückwärtsgewandte Stufe, beispielsweise in der Verbindung 174 von der ersten Fluidkammer 170 zu der zweiten Fluidkammer 172, richtungsweisend geregelt werden kann und wenn in der Fluidkammer (z. B. in der ersten Fluidkammer 170) eine Flüssigkeit angeordnet ist, durch die kontinuierliche Rotation 132 eine radiale Position einer Flüssig-Gasgrenzfläche definiert eingestellt werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Transport magnetischer Partikel 110. 2 zeigt eine Schnittansicht durch ein Fluidikmodul 1 der Vorrichtung 100. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung 100 das Fluidikmodul 1, das durch einen Antrieb 130 um ein Rotationszentrum 134 (kann im Folgenden auch als Rotationsachse 134 bezeichnet werden) drehbar ist, sowie ein Magnetkraftelement 150, die gegenüber dem Fluidikmodul 1 angeordnet sein kann, aufweisen.
  • Das Fluidikmodul 1 kann ein Substrat 120 und eine Siegelstruktur 122 aufweisen. Dabei kann die Siegelstruktur 122 dasselbe Material oder ein anderes Material wie das Substrat 120 aufweisen. Das Substrat 120 kann Ausnehmungen aufweisen, die eine Fluidikstruktur in dem Fluidikmodul 1 bilden können. Die in dem Fluidikmodul 1 angeordneten Fluidikstrukturen können zwei oder mehr Fluidkammern 170 aufweisen, die zu einem Teil mit einer Flüssigkeit 5 und einem Gas 13 gefüllt sein können. In der Flüssigkeit 5 befinden sich z. B. die magnetischen Partikel 110. Die zwei oder mehr Fluidkammern 170 können in dem Substrat 120 Ausnehmungen aufweisen, die eine schräge Kammerwand 142 aufweisen können, und die zwei oder mehr Fluidkammern 170 können eine Siegelstruktur 122 aufweisen, die an einer Siegelfläche 124 des Substrats 120 angeordnet sein kann. Somit kann das Fluidikmodul Fluidikstrukturen aufweisen, wie z. B. die zwei oder mehr Fluidkammern 170, die von dem Substrat 120 und der Siegelstruktur 122 beispielsweise von allen Seiten begrenzt werden.
  • Das Fluidikmodul 1 kann in einem virtuellen Koordinatensystem mit den Raumrichtungen r 18 und z 19 beschrieben werden, dessen Ursprung 17 im Rotationszentrum 134 liegt. Die Siegelfläche 124 zwischen dem Substrat 120 und der Siegelstruktur 122 kann eine Kreisfläche, einen Kreissektor/Kreisausschnitt, eine Rechtecksfläche oder eine Dreiecksfläche darstellen. Hierbei kann die Rotationsachse 134 beispielsweise in einem Zentrum einer Kreisfläche, einer spitzen Ecke des Kreissektors/Kreisausschnitts, in einer Mitte einer Seite der Rechtecksfläche oder an einer Ecke einer Dreiecksfläche angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sowohl das Substrat 120 als auch die Siegelstruktur 122 in einer Aufsicht (parallel zu der Siegelfläche 124) dieselben Ausdehnungen wie die Siegelfläche 124 aufweisen.
  • Zwischen dem Flüssigkeitsvolumen 5 und dem Gasvolumen 13 in der Fluidkammer 170 befindet sich z. B. eine Phasengrenze 6. Die Phasengrenze 6 befindet sich z. B. in einem definierten Abstand 20 in radialer Raumrichtung r 18 vom Rotationszentrum 134, sofern das Fluidikmodul 1 mit einer Drehfrequenz um das Rotationszentrum 134 rotiert 132. Die Drehfrequenz kann derart gewählt sein, dass eine auf das Flüssigkeitsvolumen 5 wirkende Zentrifugalkraft 136 Kapillarkräfte zwischen dem Flüssigkeitsvolumen 5 und dem Fluidikmodul 1 in der Fluidkammer 170 übertrifft. Mit einer Variation der Drehfrequenz kann eine Position der Phasengrenze 6 variiert werden. Da das Substrat 120 z. B. kontinuierlich mit der Rotation 132 um die Rotationsachse 134 beaufschlagt werden kann, ist z. B. zu jedem Zeitpunkt die Position der Phasengrenze 6 anhand des Abstandes 20 definiert.
  • Die Fluidkammer 170 ist z. B. derart gestaltet, dass die zu dem Magnetkraftelement 150 hingewandte schräge Kammerwand 142 der Fluidkammer 170 an der Position der Phasengrenze 6 um einen zu dem Magnetkraftelement 150 weisenden Winkel α 144 gegenüber einer Horizontalen (z. B. zu der Rotationsachse 134) senkrechten Ebene 145, geneigt ist. Der Winkel α 144 der schrägen Kammerwand 142 kann in einem Bereich von 0° bis 90° liegen. Dadurch dass die Position der Phasengrenze 6 z. B. im Bereich der schrägen Kammerwand 142 angeordnet ist, kann ein Transport der magnetischen Partikel 110 über die Phasengrenze 6 hinweg entlang der schrägen Kammerwand 142 erfolgen, wodurch der Transport der magnetischen Partikel 110 sehr schnell und effizient erfolgen kann. Die schräge Kammerwand 142 kann auch als geneigte Wandoberfläche der Fluidkammer 170 bezeichnet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Magnetkraftelement 150 bezüglich der Rotationsachse 134 radial innerhalb der schrägen Kammerwand 142 angeordnet sein und ausgelegt sein, um abhängig von einer Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement 150 und den Fluidikstrukturen eine Magnetkraft 152 auf die in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel 110 auszuüben. Das Magnetkraftelement 150 kann an einem stationären Träger 154 angeordnet sein, der auf einer Seite des Substrats 120 angeordnet ist, die gegenüber der Siegelfläche 124 liegt. Der Antrieb 130 kann ausgelegt sein, um das Fluidikmodul 1 mit dem Substrat 120 und der Siegelstruktur 122 mit einer Rotation 132 um die Rotationsachse 134 zu beaufschlagen, wodurch sich die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement 150 und den Fluidikstrukturen kontinuierlich ändert und um dabei, z. B. während einer 360° Drehung, eine Kraft 160 auf die magnetischen Partikel 110 auszuüben, um die magnetischen Partikel 110 entlang der schrägen Kammerwand 142 und nach radial innen bezüglich der Rotationsachse 134 zu transportieren. Dadurch dass das Magnetkraftelement 150 stationär an dem Träger 154 angeordnet ist und das Fluidikmodul 1 mittels des Antriebs 130 mit der Rotation 132 beaufschlagt wird, ändert sich z. B. die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement 150 und den Fluidikstrukturen.
  • Das stationäre Magnetkraftelement 150 erzeugt z. B. ein magnetisches Feld, das aus Sicht der Fluidkammer 170 innerhalb eines rotierenden Systems ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld erzeugt, wobei die Änderung des Magnetfelds in einer solchen Fluidkammer 170 direkt proportional zu der Drehfrequenz ω des rotierenden Fluidikmoduls 1 sein kann. Das magnetische Feld erzeugt während einer Umdrehung z. B. Netto eine resultierende Magnetkraft Fmag 152, die auf die magnetischen Partikel 110 wirken kann, solange sich diese im magnetischen Feld befinden. Der Vektor der magnetischen Kraft 152 kann dabei in die Richtungsvektoren Fmag,r 11 und Fmag,z 10 aufgeteilt werden. Dabei können diese beiden Richtungsvektoren in einem zylindrischen Koordinatensystem (r, θ, z) beispielsweise als Fmag.r=(r, θ=0,z=0) und Fmag,z=(r=0, θ=0, z) beschrieben werden, wobei gelten kann, dass Fmag,z>Fmag,r ist. Wie oben indiziert, kann optional stets θ=0 gelten, wenn die Netto wirkende Magnetkraft Fmag betrachtet wird. Eine Begründung hierfür ist in den 3a bis 3c dargestellt, welche Aufsichten auf die Fluidkammer 170 des Fluidikmoduls 1 darstellen können.
  • Die 3a bis 3c zeigen eine Positionsbeziehung zwischen einem Magnetkraftelement 150 und einer Fluidkammer 170 von Fluidikstrukturen einer Vorrichtung 100 zu unterschiedlichen Zeitpunkten einer Rotation 132. Die Fluidkammer 170 weist beispielsweise eine schräge Kammerwand 142 auf, wobei eine Phasengrenze 6 zwischen einem Flüssigkeitsvolumen 5 und einem Gasvolumen 13, in einem Bereich der schrägen Kammerwand 142 angeordnet ist. Die Fluidkammer 170 kann einen Teil der Fluidikstrukturen der Vorrichtung bilden, wobei Verbindungen 174a, 174b die Fluidkammer 170 mit weiteren Elementen (wie z. B. weiteren Fluidkammern oder Verbindungen) der Fluidikstrukturen verbinden können.
  • Während einer Bewegung der Fluidkammer 170 unter dem Magnetkraftelement M 150 hindurch, kann auf ein magnetisches Partikel 110 eine transiente Magnetkraft Fmag(t) 152, die z. B. stets in Richtung des Magnetkraftelements 150 zeigt, wirken. Zur Bestimmung einer Netto-Magnetkraft können alle Fmag(t) zwischen t=t0 und t=t2 (für t=t0 siehe 3a, für t=t1 siehe 3b und für t=t2 siehe 3c), also solange die Magnetkraft 152 auf die magnetischen Partikel 110 wirkt, addiert werden. Dadurch ergibt sich z. B. für die Netto-Magnetkraft für den Transport in den Richtungen r und z die Magnetkraft zum Zeitpunkt t1 (Fmag=Fmag(t1 )), wobei die Netto-Magnetkraft für den beschriebenen Zeitraum mit folgender Formel berechnet werden kann: F m a g = ∫ t 0 t 2 F m a g ( t ) d t ,
    Figure DE102018219091A1_0001
    wobei die auf ein magnetisierbares Partikel wirkende Kraft vom Gradienten der magnetischen Flussdichte (grad(B(t))), der magnetischen Flussdichte B(t), der magnetischen Suszeptibilität der Partikel χmag , der magnetischen Suszeptibilität des umgebenden Mediums χmed , dem Volumen des magnetisierbaren Materials VMag,Bead sowie der Vakuumpermeabilität µ0 (Konstante) abhängt: F m a g ( t ) = V M a g , B e a d * ( X mag − X med ) μ 0 * ( grad ( B ( t ) ) ) * B ( t )
    Figure DE102018219091A1_0002
  • Für den Transport relevant ergibt sich aus dieser Gleichung eine Kraft, die keine phi-Komponente mehr besitzt.
  • In anderen Worten zeigt 3a, 3b und 3c eine schematische Darstellung einer Zentrifugalkraft Fcent 136, sowie der Magnetkraft Fmag(t) 152 in der Aufsicht, auf einen magnetischen Partikel 110 in der Fluidkammer 170, in einer Zeit t0 bis t2 bei konstanter Drehfrequenz ω der Rotation 132. Während dieser Zeit läuft die Fluidkammer 170 z. B. mit der Flüssigkeit 5 und dem magnetischen Partikel 110 einmal unter dem Magnetkraftelement M 150 durch.
  • Gemäß 2 können auf die magnetischen Partikel 110, entgegen der magnetischen Kraft 152, Rückstellkräfte wirken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können diese im Wesentlichen, jedoch nicht ausschließlich einer Summe aus der auf die magnetischen Partikel 110 wirkenden Zentrifugalkraft 136, Reibungskräfte 14, z. B. in einem Fall eines Kontaktes zwischen den magnetischen Partikeln 110 und der schrägen Kammerwand 142, sowie einer Oberflächenkraft an der Phasengrenze 6 entsprechen. Somit kann sich die Kraft 160, mit der die magnetischen Partikel 110 durch die Vorrichtung 100 innerhalb der Fluidikstrukturen transportiert werden können, aus unterschiedlichen Kräften, wie oben beschrieben, zusammensetzen.
  • Die auf ein Partikel 110 wirkende Zentrifugalkraft Fcent 136 berechnet sich z. B. als Funktion der Drehfrequenz ω über: F c e n t ( ω ) = V b e a d * ( ρ B e a d − ρ a m b ) * ω 2 * r ,
    Figure DE102018219091A1_0003
    mit dem Volumen VBead und der Dichte ρBead des Partikels 110, der Dichte ρAmb des das Partikel 110 umgebenden Fluids (zum Beispiel Fluid 5 oder Gas 13) und dem Abstand r des Partikels 110 vom Drehzentrum 134.
  • Die zum Transport des Partikels 110 durch die Phasengrenze 6 zu überwindende Oberflächenkraft Fsurf ergibt sich z. B. wie folgt: F s u r f = 6 1 3 * π 2 3 * σ l i q u i d * V B e a d 1 / 3 ,
    Figure DE102018219091A1_0004
    mit einer Oberflächenspannung σliquid und einem Gesamtvolumen VBead des Partikels 110.
  • Des Weiteren wirkt z. B. auf ein Partikel 110, das sich in dem Fluid 5 bewegt, eine Reibungskraft 14. Diese Reibungskraft 14 wird als Stokes-Drag FDrag bezeichnet: F D r a g = 6 π η   a v 0 ,
    Figure DE102018219091A1_0005
    wobei η die dynamische Viskosität des das Partikel 110 umgebenden Fluids 5, a den Radius des runden Partikels 110 und v0 die relative Geschwindigkeit des Partikels 110 zum Medium darstellen.
  • Somit kann ein Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetkraft einerseits und den Rückstellkräften andererseits mithilfe der Drehfrequenz ω und einer damit einhergehenden Erhöhung oder Minderung der Zentrifugalkraft auf das Partikel beeinflusst werden. Außerdem erhöht sich bei abnehmender Drehfrequenz die Verweildauer des Partikels im magnetischen Feld, was wiederum eine Erhöhung der Wirkungsdauer der Magnetkraft Fmag zur Folge hat.
  • Die Fluidkammer 170 kann Bereiche verschiedener Ausdehnung in z-Richtung 19 (z. B. verschiedene Tiefen) aufweisen, wie z. B. flache Kammerbereiche 21 (kleine Ausdehnung in z-Richtung 19) und tiefe Kammerbereiche 23 (große Ausdehnung in z-Richtung 19), wobei eine dem Magnetkraftelement 150 zugewandte Wand der tiefen Kammerbereiche 23 in einem Vergleich zu dem flachen Kammerbereich 21 in einem geringeren Abstand zu dem Magnetkraftelement 150 angeordnet ist. Hierdurch wirkt z. B. auf die magnetischen Partikel 110, die sich z. B. an einer zu dem Magnetkraftelement 150 hingewandten Wand der Fluidkammer 170 befinden, eine höhere Magnetkraft 152, in dem Vergleich zu dem flachen Kammerbereich 21, da ein direkt vom Neigungswinkel α 144 abhängiger Anteil der Magnetfeldkraft Fmag,z 10 zusätzlich zum Anteil Fmag,r 11 zum Transfer genutzt werden kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Fluidkammer 170 in einem bezüglich der Rotationsachse 134 radial äußeren Abschnitt 21 eine geringere Ausdehnung parallel zu der Rotationsachse 134 aufweisen, als in einem radial inneren Abschnitt 23. Die Fluidkammer 170 kann des Weiteren einen radial mittigen Abschnitt aufweisen, der zwischen dem radial inneren Abschnitt 23 und dem radial äußeren Abschnitt 21 angeordnet sein kann und die schräge Kammerwand 142 aufweist, die den radial inneren Abschnitt 21 mit dem radial äußeren Abschnitt 23 verbinden kann.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass es durch geschicktes Ausnutzen der Vorteile eines zentrifugalen mikrofluidischen Systems (z. B. der Vorrichtung 100) möglich ist, bei minimalem Handhabungsaufwand und ohne eine Unterbrechung der Rotation 132 des Systems die magnetischen Partikel 110 von einer Fluidkammer 170 in eine weitere Fluidkammer zu transportieren. Außerdem eröffnet sich durch eine geschickte Wahl der Fluidkammergeometrie die Möglichkeit, die magnetische Kraft 152 auf die magnetischen Partikel 110 zu erhöhen und bevorzugte Aufenthaltsorte der magnetischen Partikel 110 zu schaffen.
  • Anwendungsbeispiele für die Erfindung ergeben sich im Bereich der DNA Sequenzierung, Nukleinsäureaufreinigung, Festphasen-PCR, Oberflächenchemie, Proteinaufreinigung, Zellextraktion, Immunoassays, Immunopräzipitation, sowie Probenvorbereitung für die Massenspektroskopie und in jeglicher Anwendung, in der ein Analyt und eine Matrix voneinander separiert werden sollen.
  • Ein magnetischer Kern der magnetischen Partikel 110 kann zu einem Einsatz in der Vorrichtung 100 oder einem erfindungsgemäßen Verfahren paramagnetische, ferromagnetische oder ferrimagnetische Eigenschaften aufweisen. Eine Partikelhülle des magnetischen Kerns der magnetischen Partikel 110 kann z.B. Silikamaterial (SiO2), Polymere, bio(chemisch) modifizierte Oberflächen (z. B. mit Oligonukleotiden, Polypeptiden), Metallmaterialien und Cellulosematerialien aufweisen.
  • Ein Volumenbereich der Flüssigkeit 5 in der Fluidkammer 170 kann in einem Bereich von 50 nL bis 50 mL, 500 nL bis 10 ml oder 1 µL bis 5000 µL liegen.
  • Das Magnetkraftelement 150 kann einen Seltenerdmagneten, z. B. NdFeB, einen Elektromagneten oder einen Weicheisenmagneten aufweisen.
  • Optional weist die Vorrichtung 100 ein oder mehrere Magnetkraftelemente 150 auf. Dabei kann die Vorrichtung 100 unterschiedliche Magnetkraftelementanordnungen aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann somit die Vorrichtung 100 zumindest ein Magnetkraftelement 150 radial innerhalb der Flüssigkeits-Gas-Grenze 6 aufweisen (wie z. B. dargestellt in 2). Radial innerhalb kann dabei bedeuten, dass das Magnetkraftelement 150 eine radiale Position aufweist, die einen geringeren Abstand zu der Rotationsachse 134 aufweist als die Flüssigkeits-Gas-Grenze 6. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 100 auch zwei oder mehr Magnetkraftelemente 150 aufweisen, die auf unterschiedlichen radialen Positionen oder auf der gleichen radialen Position (aber z. B. auf unterschiedlichen Positionen entlang der z-Richtung 19 oder einer Winkelrichtung θ/azimutaler Richtung) angeordnet sein können. Bei zwei oder mehr Magnetkraftelementen 150 kann, sofern eine erstes Magnetkraftelement 150 radial innerhalb der Flüssigkeit-Gas-Grenze 6 angeordnet ist, eine zweites Magnetkraftelement radial außerhalb der Flüssigkeit-Gas-Grenze 6 angeordnet sein, sofern die Magnetkraft 152, welche das zweite Magnetkraftelement auf die magnetischen Partikel 110 ausübt, schwächer ist als die Magnetkraft durch das erste Magnetkraftelement 150. Somit kann der Transport der magnetischen Partikel 110 durch die Vorrichtung 100 optimiert werden, indem eine hohe Magnetkraft 152 auf die magnetischen Partikel 110 wirkt.
  • Ein Vorteil der Erfindung gegenüber aktueller Technik ergibt sich z. B. durch geschicktes Ausnutzen der auf die Flüssigkeit 5 wirkenden Zentrifugalkraft 136. Aufgrund der permanenten Rotation 132 des Fluidikmoduls 1, ergeben sich in allen Fluidkammern 170 des Fluidikmoduls 1 z. B. zu jeder Zeit definierte Zustände und damit Füllstände der Flüssigkeiten 5, d. h. die Phasengrenze 6 zwischen Flüssigkeit 5 und Gas-Phase 13 liegt z. B. auf einer definierten isoradialen Kreisbahn bezüglich der Rotationsachse 134, welche durch Veränderung der Fluidkammergeometrie und radialen Kammerpositionen frei eingestellt werden kann. Dieser Zustand erlaubt die quantitative Vorhersage und Umsetzung der auf die magnetischen Partikel 110 wirkenden magnetischen Kraft 152 an eben jener Phasengrenze 6 und der an diesem Ort wirkenden Rückstellkräfte, d. h. der Oberflächenkraft an der Phasengrenze. Des Weiteren erlaubt dieser Umstand, dass die auf die magnetischen Partikel 110 wirkende Magnetkraft 152 an der gesamten Phasengrenze 6 konstant ist.
  • Die permanente Aufrechterhaltung der Rotation 132 des Fluidikmoduls 1 erlaubt es, die auf die Flüssigkeit 5 wirkende Zentrifugalkraft 136 während des gesamten Prozesses derart zu wählen, dass diese die zwischen der Flüssigkeit 5 und den Kammerwänden auftretenden Kapillarkräfte überschreitet. Dadurch kann ein unerwünschter, passiver Flüssigkeitstransport („cross talk“ durch Concus-Finn-Bedingung) mittels Kapillarkräften von einer Fluidkammer 170 in eine oder mehrere andere Fluidkammern 170 verhindert werden.
  • Vorteile der Vorrichtung 100 gegenüber aktueller Technik ergeben sich durch den Neigungswinkel 144 der zu dem Magnetkraftelement 150 weisenden schrägen Kammerwand 142 am Ort der Phasengrenze 6. Die Wahl des Winkels 144 ermöglicht eine Erhöhung der zum Transport von magnetischen Partikeln 110 zum Drehzentrum (der Rotationsachse 134) hin effektiv beitragenden Magnetkraft 152. Außerdem ermöglicht die Wahl des beschriebenen Neigungswinkels 144 eine selektive Einstellung der kritischen Drehfrequenz, bei der die magnetischen Partikel 110 in unterschiedlichen Fluidkammern 170 mit der gleichen Flüssigkeit 5 aber unterschiedlichem Neigungswinkel 144 der schrägen Kammerwand 142, die Phasengrenze 6 überwinden können.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in der Möglichkeit Partikelbewegungen sowohl innerhalb der Fluidkammer 170 als auch zwischen verschiedenen Fluidkammern 170 zu kontrollieren, jedoch ohne dabei die Rotation 132 des Fluidikmoduls 1 zu unterbrechen, was die Dauer solcher Prozesse reduzieren kann.
  • Ein Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die Neigung der Innenkante der Fluidkammer 170 bezüglich deren radialer Position. Diese Geometrie ermöglicht es, in Verbindung mit einem Magnetkraftelement 150 an einer geeigneten radialen Position, magnetische Partikel 110 von einer Fluidkammer 170 in eine weitere Fluidkammer zu transportieren, ohne während dieses Prozesses die Rotation 132 des Fluidikmoduls 1 zu unterbrechen. Das Magnetkraftelement 150 muss hierzu derart angeordnet sein, dass die Magnetkraft 152 die magnetischen Partikel 110 an jeder Stelle der Kante (schrägen Kammerwand 142) zum Drehzentrum hin bewegt.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Implementierung einer Barriere (Diodenfunktion), die durch eine rückwärtsgerichtete Stufe in der Tiefe der Fluidkammer einen Transport der magnetischen Partikel entgegengesetzt des vorgesehenen Transportwegs (z. B. von der ersten Fluidkammer 170 zu der zweiten Fluidkammer 172 und von der zweiten Fluidkammer 172 zu der dritten Fluidkammer 173 (siehe 4)) verhindert. In einer beispielhaften Anordnung, bei der eine Fluidkammer A 172 zwischen einer Fluidkammer B 173 und einer Fluidkammer C 170 liegt, kann durch die Implementierung einer rückwärtsgewandten Stufe (beispielsweise an dem Übergang der Verbindung 1741 , 1742 zu der jeweiligen Fluidkammer 172, 173) zwischen der Fluidkammer C 170 und A 172 der Transport von magnetischen Partikeln von Fluidkammer A 172 in die Fluidkammer C 170 verhindert werden, während der Transport von magnetischen Partikeln in den Richtungen C-A und A-B möglich ist.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt von Fluidikstrukturen 140, die in einem Substrat einer Vorrichtung angeordnet sein können. Die Fluidikstrukturen 140 können eine erste Fluidkammer 170, eine zweite Fluidkammer 172, eine dritte Fluidkammer 173 bis zu einer n-ten Fluidkammer (wobei n z. B. eine ganze positive Zahl definiert) aufweisen. Jede der Fluidkammern 170, 172, 173 kann eine schräge Kammerwand 1421 bis 1423 aufweisen. Die einzelnen Fluidkammern 170, 172, 173 können über Verbindungen 1741 bis 1743 miteinander verbunden sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Verbindungen 1741 bis 1743 eine Innenwand 1751 bis 1753 aufweisen, deren radiale Position (z. B. entlang der Raumrichtung r 18) sich in azimutaler Richtung (z. B. von der ersten Fluidkammer 170 auf die zweite Fluidkammer 172 zu und/oder von der zweiten Fluidkammer 172 auf die dritte Fluidkammer 173 zu) ändert, um eine Position magnetischer Partikel, die in einer der Fluidkammern 170, 172, 173 angeordnet sein können, bei einem Transport durch die Verbindung 1741 bis 1743 sowohl in azimutaler Richtung als auch in einer Richtung nach radial innen, bezüglich einer Rotationsachse 134, zu ändern, wenn das Substrat, in dem die Fluidikstruktur 140 angeordnet sein kann, mit einer Drehfrequenz geringer als eine kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird. In anderen Worten kann die Fluidikstruktur 140 eine Verbindung 1741 bis 1743 aufweisen, die radial innen eine Innenwand 1751 bis 1753 aufweisen kann, die einen negativen Gradienten bezüglich der radialen Position aufweist. Die Innenwand 1751 bis 1753 kann eine Fortsetzung einer radial innen liegenden Kammerwand der Fluidkammer 170, 172, 173 sein. Die Innenwand 1751 bis 1753 kann auch als Innenkante der Verbindung 1741 bis 1743 bezeichnet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich die radiale Position der Innenwand 1751 bis 1753 in azimutaler Richtung bis zu einem Wendepunkt 1761 bis 1763 nach radial innen verändern und sich die radiale Position ab dem Wendepunkt 1761 bis 1763 nach radial außen verändern, wobei die Innenwand 1751 bis 1753 ausgelegt sein kann, um die magnetischen Partikel aufgrund einer Magnetkraft an diesem Wendepunkt 1761 bis 1763 aufzuhalten, wenn das Substrat, in dem die Fluidikstrukturen 140 angeordnet sind, mit der Drehfrequenz geringer als die kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird. Dabei können die magnetischen Partikel in einem Bereich um den Wendepunkt 1761 bis 1763 aufgehalten werden. Dies kann beispielsweise durch die nach radial außen verlaufende Innenwand 175b1 bis 175b3 erfolgen, indem sich die magnetischen Partikel beispielsweise im Bereich um den Wendepunkt 1761 bis 1763 an der nach radial außen verlaufenden Innenwand 175b1 bis 175b3 anordnen.
  • Somit weist die Verbindung eine Innenwand 1751 bis 1753 mit einem nach radial innen verlaufenden Teil 175a1 bis 175a3 und einem nach radial außen verlaufenden Teil 175b1 bis 175b3 , auf. Somit kann sich beispielsweise bei dem nach radial innen verlaufenden Teil 175a1 bis 175a3 ein Abstand zu der Rotationsachse 134 in azimutaler Richtung, z. B. von der ersten Fluidkammer 170 auf die zweite Fluidkammer 172 zu oder von der zweiten Fluidkammer 172 auf die dritte Fluidkammer 173 zu, verringern und ein Abstand des nach radial außen verlaufenden Teils 175b1 bis 175b3 der Innenwand 1751 bis 1753 kann sich bezüglich der Rotationsachse 134 in azimutaler Richtung (wie bereits oben beschrieben) vergrößern.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Innenwand 1751 bis 1753 nach dem Wendepunkt 1761 bis 1763 derart ausgebildet sein, um bei einem Beaufschlagen des Substrats mit einer Drehfrequenz größer als der kritischen Drehfrequenz, die Position der magnetischen Partikel in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse 134, zu ändern, um die magnetischen Partikel in die zweite Fluidkammer 172, wenn die magnetischen Partikel aus der ersten Fluidkammer 170 kommen, bzw. in die dritte Fluidkammer 173, wenn die magnetischen Partikel aus der zweiten Fluidkammer 172 kommen, zu transportieren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Innenwand 1751 bis 1753 nach dem Wendepunkt 1761 bis 1763 derart ausgebildet sein, um bei einem Beaufschlagen des Substrats mit einer Drehfrequenz größer als der kritischen Drehfrequenz, die Position der magnetischen Partikel sowohl in azimutaler Richtung (wie bereits oben beschrieben) als auch in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse 134, zu ändern, um die magnetischen Partikel in die zweite Fluidkammer 172, wenn die magnetischen Partikel aus der ersten Fluidkammer 170 kommen, bzw. in die dritte Fluidkammer 173, wenn die magnetischen Partikel aus der zweiten Fluidkammer 172 kommen, zu transportieren.
  • 4 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel der Fluidikstrukturen 140 in der Aufsicht mit drei Fluidkammern 170, 172, 173. Ausführungsbeispiele umfassen Fluidkammern 170, 172, 173, die Bereiche verschiedener Ausdehnung in z-Richtung 19 (verschiedene Tiefen) aufweisen, wie z. B. flache Kammerbereiche 21, 24 und tiefe Kammerbereiche 23. Die tiefen Kammerbereiche 23 können im Vergleich zu den flachen Kammerbereichen 21, 24 in einem geringeren Abstand zu einem Magnetkraftelement angeordnet sein, wobei der Abstand in z-Richtung 19 verläuft.
  • Ausführungsbeispiele beinhalten eine Fluidkammer 172, 173, die einen Übergang von dem flachen Bereich 24 in einen tieferen Bereich 22 besitzen, wobei der Übergang eine rückwärtsgewandte Stufe darstellt, sofern magnetische Partikel sich von dem flachen Bereich 24 in die tieferen Bereiche 22 bewegt werden. Die rückwärtsgewandte Stufe kann verhindern, dass sich die magnetischen Partikel von dem tieferen Bereich 22 in den flachen Bereich 24 bewegen (bei dem Transport durch die Vorrichtung), wodurch die Vorrichtung mit Fluidikstrukturen 140 gemäß 4 ausgelegt sein kann, um stets nur in einer Richtung, z. B. von der ersten Fluidkammer 170 in die zweite Fluidkammer 172 und von der zweiten Fluidkammer 172 in die dritte Fluidkammer 173 die magnetischen Partikel zu transportieren. Die Fluidikstrukturen 140 können auch als mikrofluidische Strukturen beschrieben werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Verbindung 1741 einen ersten radial nicht abfallenden Kanalabschnitt 23 aufweisen, der in die erste Fluidkammer 170 mündet und einen zweiten radial abfallenden Kanalabschnitt 24 aufweisen, der in die zweite Fluidkammer 172 münden kann.
  • 5a zeigt einen Ausschnitt der Fluidikstrukturen 140 aus 4, der dieselben Merkmale und Funktionalitäten wie die Fluidikstrukturen 140 aus 4 aufweisen kann, wobei zusätzlich die rückwärtsgerichtete Stufe 190 als Diodenfunktion eingezeichnet ist. Die Diodenfunktion 190 bezüglich eines Partikeltransports durch eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch eine geschickte Wahl von Kammertiefen der Fluidikstruktur 140 umgesetzt werden. Die Implementierung einer rückwärtsgewandten Stufe 190 in z-Richtung 19 kann in einem Vorzugsweg von magnetischen Partikeln aus der Fluidkammer 172 hinaus (in diesem Fall nach links) resultieren. Dadurch kann ein unerwünschter Transport von magnetischen Partikeln (in diesem Fall nach rechts) vermieden werden.
  • So kann beispielsweise die Fluidkammer 172 und eine Verbindung 1741 einen flachen Bereich 21, 24 mit einer Ausdehnung in z-Richtung 19 in einem Bereich von 1 µm bis 1000 cm, 100 µm bis 1 cm oder 1 mm bis 5 mm, wie z. B. 3 mm, aufweisen. Ferner kann die Fluidkammer 172 einen tiefen Bereich 23 aufweisen, dessen Ausdehnung in einem Bereich von 1 µm bis 10 cm, 100 µm bis 1 cm oder von 1 mm bis 5 mm, wie z. B. 4 mm, liegen kann. Über eine schräge Kammerwand 1422 kann der flache Bereich 21 und der tiefe Bereich 23 der Fluidkammer 172 über einen tieferen Bereich 22 verbunden sein. Die Verbindung 1741 kann an den tieferen Bereich 22 mit dem flachen Bereich 24 münden, wodurch die rückwärtsgerichtete Stufe 190 resultieren kann.
  • In anderen Worten kann die Verbindung 1741 einen ersten Kanalabschnitt 23 und einen zweiten Kanalabschnitt 24 aufweisen, wobei der zweite Kanalabschnitt 24 Bereiche aufweisen kann, die in einer Richtung parallel zu der Rotationsachse 134 (z. B. parallel zu der z-Richtung 19) weiter von einem Magnetkraftelement beabstandet sind als der erste Kanalabschnitt 23. Somit kann der erste Kanalabschnitt 23 eine größere Ausdehnung (siehe die Ausdehnung 23 in 5b und 5c) parallel zu der Rotationsachse 134 aufweisen, als die Ausdehnung (siehe die Ausdehnung 24 in 5b und 5c) des zweiten Kanalabschnitts 24 parallel zu der Rotationsachse 134.
  • Somit kann ein Antrieb einer Vorrichtung ausgelegt sein, um ein Substrat mit einer Drehfrequenz, kleiner als eine kritische Drehfrequenz, zu beaufschlagen, bei der die magnetischen Partikel durch die Magnetkraft entlang des ersten Kanalabschnitts 23 bewegt werden, und mit einer zweiten Drehfrequenz, höher als die kritische Drehfrequenz zu beaufschlagen, bei der die magnetischen Partikel zentrifugal entlang des zweiten Kanalabschnitts 24 in die zweite Fluidkammer 172 bewegt werden.
  • Mit der dreidimensionalen Darstellung der Fluidikstrukturen 140 in 5b in 5c kann die rückwärtsgerichtete Stufe 190 näher erläutert werden. Die Fluidikstrukturen 140 in 5b und 5c können einen Teil der Fluidikstrukturen 140 aus 4 darstellen und somit beispielsweise dieselben Merkmale und Funktionalitäten wie ein Teil der Fluidikstrukturen 140 in 4 aufweisen. In 5b und 5c ist beispielsweise eine Fluidkammer 172, eine Verbindung 1741 und eine Anschlussstelle 1742 zu einer weiteren Verbindung dargestellt. In 5b und 5c werden die unterschiedlichen Ausdehnungen innerhalb der Fluidikstrukturen 140 in z-Richtung 19, wie z. B. bereits dargestellt in 5a, deutlich. So können die Fluidikstrukturen 140 aus 5b und 5c beispielsweise tiefe Bereiche mit einer großen Ausdehnung 23 aufweisen und flache Bereiche mit einer flachen Ausdehnung 21, 24 in z-Richtung 19 aufweisen. Die Fluidkammer 172 kann eine schräge Kammerwand 1422 aufweisen, deren tiefere Ausdehnung 22 in z-Richtung 19 sich entlang der schrägen Kammerwand 1422 von der flachen Ausdehnung 21 zur tiefen Ausdehnung 23 erhöht. Somit kann die Verbindung 1741 so an die Fluidkammer 172 münden, dass ein Bereich der Verbindung 1741 mit der flachen Ausdehnung 24 in einem Bereich der tieferen Ausdehnung 22 und/oder der tiefen Ausdehnung 23 der Fluidkammer 172 mündet, so dass die rückwärtsgerichtete Stufe 190 aufgrund der Ausdehnungsunterschiede resultiert.
  • Gemäß 5c können die Bereiche mit tiefer Ausdehnung 23 einen geringeren Abstand in z-Richtung 19 zu einem Magnetkraftelement aufweisen, als die flachen Bereiche mit der flachen Ausdehnung 21, 24. Somit können magnetische Partikel in der Fluidkammer 172 bei einer Rotation der Fluidikstrukturen 140 in einem Fluidikmodul einer Vorrichtung durch das Magnetkraftelement 150 innerhalb der Fluidkammer 172 von einem flachen Bereich mit einer flachen Ausdehnung 21, 24 entlang der schrägen Kammerwand 1422 in den tiefen Bereich mit der tiefen Ausdehnung 23 zur Anschlussstelle 1742 transportiert werden. Da die magnetischen Partikel somit in z-Richtung 19 in Richtung des Magnetkraftelements transportiert werden, kann die rückwärtsgerichtete Stufe 190 verhindern, dass die magnetischen Partikel von der Fluidkammer 172 in die Verbindung 1741 transportiert werden. Die Fluidikstrukturen 140 können in dem Substrat der Vorrichtung gegenüber dem Magnetkraftelement in azimutaler Richtung, entgegen der Transportrichtung der magnetischen Partikel rotieren.
  • Die 6 zeigt ein Fluidkammer 170 und eine Verbindung 174 zu einer zweiten Fluidkammer 172 in jeweils einer Aufsicht (Nummerierung 1) und einer Seitansicht (Nummerierung 2) zu sechs Zeitpunkten a bis f. In anderen Worten sind für jeden Teilschritt jeweils eine Aufsicht (Index „1“) und ein radialer Schnitt (Index „2“) durch die Fluidkammer 170 dargestellt.
  • In der Fluidkammer 170 kann sich Flüssigkeit 5 befinden und in der Flüssigkeit 5 kann sich zu einem ersten Zeitpunkt a1/a2 und einem zweiten Zeitpunkt b1/b2 ein magnetischer Partikel 110 befinden. Bei einer hohen Drehfrequenz ω (oberhalb einer kritischen Drehfrequenz ωkrit ) wirkt eine hohe Zentrifugalkraft auf das magnetische Partikel 110, so dass eine auf die magnetischen Partikel wirkende Gesamtrückstellkraft 138 eine Magnetkraft 152 (siehe a1 und a2) überschreitet, wobei die Gesamtrückstellkraft 138, eine Summe aus Rückstellkräften, wie z. B. einer Reibungskraft zwischen Partikel und flüssigem Medium und/oder einer Reibungskraft zwischen Partikel und Kammerwände der Fluidkammer 170 sowie der Zentrifugalkraft, darstellt. Die magnetischen Partikel 110 sedimentieren somit z. B. in der Fluidkammer 170.
  • Sobald die kritische Drehfrequenz ωkrit unterschritten wird, übersteigt die Magnetkraft 152 die Gesamtrückstellkraft 138 und die magnetischen Partikel 110 beginnen sich zum Drehzentrum 134 hin in r-Richtung 18 und in z-Richtung 19 zu bewegen (siehe b1 und b2). Während der Bewegung der magnetischen Partikel 110 in der Flüssigkeit 5, wirkt die Gesamtrückstellkraft 138 entgegen der Magnetkraft 152, bestehend aus einer Summe der Zentrifugalkraft und einer Stokeskraft, verursacht durch einen Strömungswiderstand. Sobald die magnetischen Partikel 110 eine Grenzfläche 6 (z. B. einen Phasenübergang) zwischen Flüssigkeit 5 und Gas 13 erreichen, wirkt der Magnetkraft 152 die Gesamtrückstellkraft 138 entgegen, die aus der Summe der Oberflächenkraft, der Zentrifugalkraft 136 und der Stokes-Kraft besteht. Die Gesamtrückstellkraft 138 (Frep ) stellt somit die Summe der Rückstellkräfte dar, wobei diese sich je nach Ort der magnetischen Partikel 110 ändert.
  • Ein Anteil der genutzten Magnetkraft 152 bei einem Transfer der magnetischen Partikel 110 durch die Grenzfläche 6 zwischen Flüssigkeit 5 und Gas 13 kann durch eine schräge Kammerwand 142 erhöht werden (siehe c1 und c2). Dabei führt eine Neigung der schrägen Kammerwand 142 gegenüber einer r-θ-Ebene um einen Winkel 0°<α<90° zu einer Erhöhung der genutzten Magnetkraft 152.
  • Die magnetische Kraft 152 auf die magnetischen Partikel 110, die sich in der Gas-Phase 13 befinden (siehe c1-e1, c2-e2), kann durch eine Verringerung eines Abstandes der Fluidkammer 170 zu einem Magnetkraftelement 150 weiter erhöht werden. Dies ist durch eine entsprechende Wahl einer Kammertiefe 200 möglich.
  • Bei geschickter Wahl einer radialen Position des Magnetkraftelements 150, wirkt die Magnetkraft 152 auf die magnetischen Partikel 110 stets in Richtung des Drehzentrums 134. Eine bezüglich des Radius geneigte Wand 175 der Verbindung 174 an der radial innenliegenden Seite (siehe d1 und d2) kann genutzt werden, um mit der Magnetkraft 152 einen Transport der magnetischen Partikel 110 in einer azimutalen Richtung (z. B. von einer ersten Fluidkammer 170 in eine zweite Fluidkammer 172) zu unterstützen.
  • Während des Transports der magnetischen Partikel 110 in die zweite Fluidkammer 172 (siehe e1 und e2), nimmt die Zentrifugalkraft weiter ab, da sich die radiale Position der magnetischen Partikel 110 verringert.
  • Sobald sich die magnetischen Partikel 110 oberhalb der nächsten Fluidkammer 172 (z. B. in einem Bereich um einen Wendepunkt 176) befinden (siehe f1), können die magnetischen Partikel 110 durch eine Erhöhung der Drehfrequenz ω in die zweite Fluidkammer 172 geschleudert werden. Hierfür sollte die Drehfrequenz ω größer der kritischen Drehfrequenz ωkrit sein.
  • Somit zeigt 6 eine Steuerung eines Partikeltransports durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung über eine Rotationsfrequenz ω.
  • 7 zeigt ein konkretes Anwendungsbeispiel des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung (z. B. als mikrofluidische Kartusche) zur automatischen Extraktion von Nukleinsäuren aus einer Lösung intakter Organismen oder bereits aufgeschlossener Organismen („Lysat“). In dem Beispiel sind vier Fluidkammern 1701 bis 1704 mit Flüssigkeiten 51 bis 54 befüllt, wobei sich die Flüssigkeiten 51 bis 54 voneinander unterscheiden können. Die vier Fluidkammern 1701 bis 1704 stellen ein Ausführungsbeispiel von Fluidikstrukturen 140 dar, die in einem Substrat einer erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert sein können. Die Flüssigkeiten 51 bis 54 können beispielsweise in der mikrofluidischen Kartusche (Vorrichtung) in Stick-Packs vorgehalten werden, die sich beispielsweise radial innerhalb der Fluidkammern 1701 bis 1704 in 7 befinden. Durch Rotation der Kartusche können die Flüssigkeiten 51 bis 54 in die Fluidkammern 1701 bis 1704 gelangen. Das Lysat kann durch chemische, mechanische oder thermische Zersetzung von humanem-, tierischem, pflanzlichem oder mikrobiellem Material gewonnen werden. Die magnetischen Partikel 110 besitzen z. B. eine Silica-Oberfläche, die eine unspezifische Bindung von Nukleinsäuren an die Oberfläche unter bestimmten chemischen Bedingungen erlaubt. Die magnetischen Partikel 110 können in einem trockenen Zustand in der ersten Fluidkammer 1701 vorliegen und durch die Zugabe eines Lysats und eines Bindepuffers resuspendiert werden. Dieser Zustand ist in 7-A dargestellt. Im Ausgangszustand 7-A befinden sich die magnetischen Partikel 110 in Lösung. Hierbei rotiert die mikrofluidische Kartusche stets mit einer Drehfrequenz höher als die kritische Drehfrequenz. Während dieser Zeit können Nukleinsäuren an die Oberfläche der magnetischen Partikel 110 binden. Wird eine kritische Drehfrequenz unterschritten, bewegen sich die magnetischen Partikel 110 aufgrund der geänderten Kräfteverhältnisse radial nach innen, über die Phasengrenze 61 bis 64 zwischen Flüssigkeit 51 bis 54 und Gas 13 hinweg und in Richtung der nächsten Fluidkammer, wobei sie an einem Haltepunkt 1761 bis 1763 (in anderen Worten z. B. an einem Wendepunkt) aufgrund der Kammergeometrie gestoppt werden (gestrichelter Pfeil). In 7-B wird die Drehfrequenz erhöht, so dass eine kritische Drehfrequenz überschritten wird und die Partikel 110 durch die überwiegende Zentrifugalkraft in eine zweite Fluidkammer 1702 bewegt werden. Diese kann z. B. eine Waschflüssigkeit 52 enthalten, die mit späteren Analysen interferierende Stoffe entfernt. Durch Implementieren weiterer Drehfrequenzänderungen zur Über- oder Unterschreitung einer kritischen Drehfrequenz können die Partikel 110 dementsprechend in z. B. eine zweite Waschflüssigkeit 53 zur weiteren Entfernung von interferierenden Substanzen (7-C) und sukzessive in z. B. einen Elutionspuffer 54 (7-D) transportiert werden, der zur Lösung z. B. der Nukleinsäuren von der Silica-Oberfläche der Partikel 110 dient. Das somit entstandene Eluat enthält aufgereinigte Nukleinsäuren und kann für weitere Downstream-Analysen herangezogen werden.
  • 8 zeigt eine GTM Methode, wobei (a) eine Übersicht über eine mikrofluidische Struktur auf einer LabDisk zeigt. Ziel des in 8 dargestellten Prozesses ist es, ein „Bead pellet“ (in diesem Fall die magnetischen Partikel) sukzessive durch die Fluidkammern „Chamber 1“ (Kammer 1) - „Chamber 3“ (Kammer 3) zu transportieren. 8b zeigt eine Situation vor einem Partikeltransport und 8c zeigt eine schematische und 8C eine experimentelle Detailansicht der magnetischen Partikel in der LabDisk, während die Kartusche rotiert. 8d zeigt eine schematische und 8D eine experimentelle Detailansicht des Transports der magnetischen Partikel über eine Flüssigkeits-Gas-Phasengrenze hinweg in ein „air gap“ (Luftspalt). 8e zeigt eine schematische und 8E eine experimentelle Darstellung des Partikeltransports durch das „air gap“ hindurch. 8f zeigt eine schematische und 8F eine experimentelle Darstellung des abschließenden Zentrifugationsschritts, in welchem die magnetischen Partikel in eine zweite Flüssigkeit 5b geschleudert werden. Die 8 ist [2] entnommen.
  • In 8 ist somit die Kartusche sowie der Transport der magnetischen Partikel von einer Flüssigkeit in eine andere über eine Phasengrenze hinweg dargestellt. Der Partikeltransport wurde hier am Beispiel einer Nukleinsäure-Extraktion gezeigt. Der schrittweise Transport der Partikel von Flüssigkeit 5a zu Flüssigkeit 5b kann hierbei in drei Phasen unterteilt werden.
    1. 1. Die Partikel befinden sich in „Chamber 1“ und sind in der ersten Flüssigkeit 5a suspendiert (8, c und C). Die LabDisk rotiert mit einer Rotationsgeschwindigkeit derart, dass die Zentrifugalkraft die Partikel an die radial außenliegende Kante von „Chamber 1“ drückt.
    2. 2. Gas-Phasen Transfer Magnetophorese: Die LabDisk rotiert in diesem Schritt nicht. Sie wird in Bezug auf den Permanentmagnet derart angeordnet, dass eine ausreichend hohe Magnetkraft wirkt, um die Partikel entgegen wirkender Rückstellkräfte (Rückstellkräfte sind z. B. a) in der Flüssigkeit: Drag-Kraft durch das Fluid, Zentrifugalkraft (solange die Disk rotiert), Schwerkraft, sowie Reibungskräfte der Partikel an der Kartuschenwand, b) beim Transfer durch die Phasengrenze die Kapillarkraft, sowie die oben genannten Reibungskräfte und c) Reibungskräfte an der Kartuschenwand sowie Kapillarkräfte der die Partikel umgebenden Flüssigkeitsreste an der Kartuschenwand.) zu transportieren (8, d und D). Die Flüssigkeit in den Kammern ist dabei in einem unkontrollierten Zustand.
    3. 3. Partikeltransport in den Bereich des „air gaps“ oberhalb von „Chamber 2“ (Kammer 2). Die Disk wird schrittweise unterhalb des Magneten bewegt. Die Partikel folgen daher dem Magneten aufgrund der davon ausgehenden Magnetkraft. Rückstellend wirkt auf die Partikel in diesem Fall lediglich die Reibungskraft an der Kartuschenwand, sowie Kapillarkräfte von Flüssigkeit, die mit den Partikeln zusammen transportiert wird (8, e und E). Die Flüssigkeit 5a, 5b in den Kammern ist dabei durchgehend in einem unkontrollierten Zustand bezüglich ihres Ortes und der Ausformung der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas.
    4. 4. Schleudern der Partikel in die zweite Flüssigkeit 5b. Durch rasches Beschleunigen auf eine hohe Drehfrequenz wirkt eine derart hohe Zentrifugalkraft auf die Partikel, dass die Magnetkraft überschreitet und damit die Partikel radial nach außen bewegt werden.
  • In Abhängigkeit einer Breite der mikrofluidischen Verbindung, an deren Stelle die GTM durchgeführt wird, der Zentrifugalbeschleunigung während des benötigten Abbremsvorgangs, den Materialien der Kartusche und des Deckels der Kartusche, sowie der Benetzungseigenschaften der Flüssigkeit auf den Kontaktflächen der Siegelfolie und der Kartusche, lässt sich die Position des Meniskus der Flüssigkeit in der Praxis nicht vorhersagen. Da die Magnetkraft jedoch mit der zweiten Potenz des Abstandes eines magnetisierbaren Partikels von einem Magneten abnimmt, schwankt die tatsächliche Magnetkraft auf das Partikel in der Praxis an der Meniskusposition sehr, da die Meniskusposition, wie oben erwähnt, stark schwankt.
  • Die Methode ist nicht universell (d.h. für Flüssigkeiten mit beliebigen Benetzungseigenschaften) anwendbar. Stark benetzende Flüssigkeiten (z.B. Alkohole oder Tenside, die häufig in der Nukleinsäure-Extraktion verwendet werden) können während den Phasen des Stillstandes entlang der Kanten des mikrofluidischen Netzwerks entlang kriechen (Concus-Finn-Bedingung). In Konsequenz dessen kann sich eine unerwünschte Vermischung verschiedener Flüssigkeiten ergeben, wodurch die Qualität der durchzuführenden Analyse beeinträchtigt werden kann.
  • Die in 8 dargestellte LabDisk kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung optimiert werden, indem die Fluidikstrukturen 140 durch die Fluidikstrukturen 140 dargestellt in 4 ersetzt werden. Dadurch kann die LabDisk durchgehend rotierenden, es wird eine definierte Phasengrenze erreicht und somit ein Vermischen der ersten Flüssigkeit 5a und der zweiten Flüssigkeit 5b vermieden und durch das Einführen der schrägen Kammerwand der Transport der Bead Pellets bzw. der magnetischen Partikel von einer Kammer in die nächste Fluidkammer sehr effizient gestaltet.
  • Wie in 8 dargestellt, kann die Fluidikstruktur 140 aus 4 korrespondierende Zugänge zu Reservoirs 200 aufweisen.
  • 9 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zentrifugal-mikrofluidischen Testträgers 100 in radialer Richtung geschnitten. Die in 9 dargestellte Ausführungsform ist [1] entnommen, kann aber auch ein Ausführungsbeispiel einer Schnittansicht durch eine Fluidkammer der vorliegenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein. Ein Permanent-Magnet 50, der beispielsweise ein Teil des Magnetkraftelements der vorliegenden Erfindung sein kann, kann eine magnetische Kraft Fmag auf magnetische Partikel 48 erzeugen. Dabei können die magnetischen Partikel 48 dieselben Merkmale und Funktionalitäten wie die magnetischen Partikel 110 aus 1, 2, 3a bis 3c, und 6 aufweisen. Durch die Geometrie der zum Magneten 50 hingewandten Wand (gemäß einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei dieser Wand um eine schräge Kammerwand einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung handeln) der mikrofluidischen Kammer 20, kann gemäß der aktuellen Technik nur die in radiale Richtung zeigende Komponente Fp zum Transport der magnetischen Partikel 48 durch die Flüssigkeits-Gasgrenze hindurch genutzt werden.
  • Es wird somit lediglich ein Bruchteil der theoretisch nutzbaren Magnetkraft Fmag genutzt, da die Hauptkomponente des Magnetkraft-Vektors Fmag in der beschriebenen Konfiguration orthogonal zur Wand der Kartusche 10 wirkt (Fs ) und nicht in Transportrichtung der magnetischen Partikel 48 (in Richtung Fp ). Dies führt dazu, dass lange Zeiten des Stillstands der Kartusche 10 notwendig sind, da die effektiv zum Transfer der magnetischen Partikel 48 genutzte Magnetkraft Fp niedrig ist. Die senkrecht wirkende Magnetfeldkomponente Fs führt zudem dazu, dass der Transport der magnetischen Partikel hin zum Drehzentrum 12 stark von der Oberflächenbeschaffenheit der zum Magneten 50 hingewandten Kammerwand abhängt und ab einer kritischen Oberflächenrauheit sogar vollständig unterdrückt werden kann (Es ist anzumerken, dass 9 irreführend ist, da die graphische Größe der Vektoren nicht der tatsächlichen Größe der Kräfte entspricht (es gilt i. a. Fs>Fp)).
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Vorrichtung die in 9 gezeigte Fluidkammergeometrie in den Fluidikstrukturen aufweisen und ferner eine wie z. B. in 4, 5a, 5b oder 5c beschriebene Geometrie einer Verbindung zwischen den Fluidkammern aufweisen, wodurch der Transport der magnetischen Partikel 48 von einer Fluidkammer in eine andere Fluidkammer über die erfindungsgemäße Verbindung dahin gehend optimiert wird, dass die magnetischen Partikel 48 effizienter von einer Fluidkammer in die andere Fluidkammer transportiert werden können, da eine hohe Magnetkraft auf die magnetischen Partikel durch die spezielle Geometrie wirkt. Ferner kann ein Rücktransport von der anderen Fluidkammer in die erste Fluidkammer durch eine rückwärtsgerichtete Stufe beispielsweise vermieden wird und die Geometrie ermöglicht, dass ein Vermischen von Flüssigkeiten in den unterschiedlichen Fluidkammern durch die spezielle Geometrie der Verbindung unterdrückt werden kann.
  • 10a zeigt eine schematische Ansicht einer zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen, wobei zur Linken eine untersuchte Geometrie vergrößert dargestellt ist. Wasser und Tinte werden z. B. respektive in „Inlet 1“ (Einlass 1) und „Inlet 2“ (Einlass 2) gegeben. In der Mischkammer werden diese durch Be- und Entschleunigen der Kartusche (resultierend in FStokes , FCent ) sowie durch Deflektion magnetischer Partikel aufgrund externer Magnete durchmischt (Fmag ). 10b ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der externen Magnete mit einer Simulation einer Trajektorie der magnetischen Partikel in der zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche gemäß 10a. 10a und 10b sind [3] entnommen.
  • Hierbei werden beispielsweise Permanent-Magnete ober- bzw. unterhalb der zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche (siehe 10a) angeordnet, so dass die magnetischen Partikel in der Kartusche durch Rotation derselben mit jeder Umdrehung das Magnetfeld der Permanent-Magnete durchlaufen. Durch eine Positionierung der Permanent-Magnete radial außerhalb bzw. radial innerhalb des Orbits der Mischkammer (siehe 10a) kann eine Trajektorie der magnetischen Partikel (siehe 10b) erreicht werden, die zu einem Transport der magnetischen Partikel durch die Kammer hindurch führt. Die dadurch erzeugte Konvektion führt zu einer Durchmischung der Flüssigkeiten bei einer Drehfrequenz von 6 Hz (hier: Tinte und Wasser, Gesamtvolumen 25 µL).
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Vorrichtung eine Magnetkraftelementanordnung gemäß 10b, mit einer verteilten Anordnung von z. B. acht Magnetkraftelementen, aufweisen oder auch mit einer Magnetkraftelementgeometrie, die von der Geometrie dargestellt in 10b abweicht, so dass die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ausgelegt sein kann, um magnetische Partikel in den Fluidikstrukturen (die z. B. aus einer einzelnen Fluidkammer, gemäß der Fluidkammer 170 oder 172 aus 1, 2, 3a bis 3c, 4, 5a bis 5c oder 6, mit z. B. einem Zugang zu einem „Inlet 1“ und „Inlet 2“ bestehen können) so zu transportieren, dass Flüssigkeiten in den Fluidikstrukturen der Vorrichtung effizient und homogen vermischt werden können.
  • Weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest zwei Magnetkraftelemente auf, so können die Magnetkraftelemente ausgelegt sein, um eine gemeinsame Magnetkraft auf die magnetischen Partikel, angeordnet innerhalb von Fluidikstrukturen der Vorrichtung, auszuüben.
  • 11a zeigt aus [4] eine mikrofluidische Struktur, und 11b zeigt eine Ansicht ([4] entnommen) einer zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche 201. Die in 11a dargestellte mikrofluidische Struktur kann magnetische Partikel 525 nicht nur zum Mischen verwenden, sondern kann die magnetischen Partikel auch durch entsprechende Anordnung in die „Pocket 1“ 506 oder „Pocket 2“ 524 ablegen. In 11b ist eine mögliche Anordnung der Permanent-Magnete dargestellt, die hier sowohl über der Kartusche 400a als auch unter der Kartusche 400b oder beidseitig möglich ist. Die Magnete rotieren nicht, sondern sind z. B. ortsfest.
  • In Andersson et al. [4] ist eine mikrofluidische Struktur, die magnetische Partikel zum Mischen anwendet, beschrieben (vgl. 11a und 11b). Im Gegensatz zu Grumann et al. [3] ist hier auch die Möglichkeit beschrieben, Magnete auf beiden Seite der Kartusche anzuordnen (siehe 11b). Dies ist vorteilhaft bei der Durchmischung von tiefen Kammern, da die magnetischen Partikel nicht nur radial und azimutal bewegt werden können, sondern auch in vertikaler Richtung. Des Weiteren wurde ein Prozess beschrieben, bei dem über die Wahl der Drehfrequenz und deren Vorzeichen (im UZS oder gegen den UZS = Uhrzeigersinn) die Partikel in eine Tasche („Pocket“) oder eine andere Tasche „hineinsedimentiert“ werden können. Einschränkend ist zu erwähnen, dass in [4] lediglich Partikel manipulierende Prozesse innerhalb einer Reaktionskammer beschrieben sind, d. h. kein Transfer der Partikel von einer Kammer in eine andere Kammer.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Magnetkraftelement der Vorrichtung die Magnetkraftelementanordnung, dargestellt in 11b aufweisen, um magnetische Partikel in den Fluidikstrukturen (die z. B. aus einer einzelnen Fluidkammer, gemäß der Fluidkammer 170 oder 172 aus 1, 2, 3a bis 3c, 4, 5a bis 5c oder 6 bestehen können) so zu transportieren, dass z. B. Flüssigkeiten in den Fluidikstrukturen durch die Vorrichtung vermischt werden können. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die Vorrichtung sowohl auf einer Seite des Substrats, die der schrägen Kammerwand zugewandt ist, Magnetkraftelemente aufweist, als auch auf der gegenüberliegenden Substratseite, wobei die Magnetkraftelemente z. B. an einem ersten und einem zweiten externen Träger (z. B. angeordnet auf den zwei gegenüberliegenden Seiten des Substrats) stationär angeordnet sind. Hierbei kann die Anordnung der Magnetkraftelemente auch von der in 11b dargestellten Variante abweichen.
  • 12 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens 300 zum Transport magnetischer Partikel. Das Verfahren kann den Schritt Rotierten 310 eines Substrats um eine Rotationsachse mittels eines Antriebs, wobei dadurch eine Positionsbeziehung zwischen einem Magnetkraftelement und Fluidikstrukturen in dem Substrat kontinuierlich geändert werden können. Ferner kann eine Magnetkraft mittels des Magnetkraftelements, abhängig von der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und den Fluidikstrukturen in dem Substrat auf die in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel ausgeübt 320 werden. Die Fluidikstrukturen in dem Substrat können eine schräge Kammerwand aufweisen, die in einem Winkel α bezüglich einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene, angeordnet ist und die schräge Kammerwand kann zu dem Magnetkraftelement hin geneigt sein, wobei das Magnetkraftelement bezüglich der Rotationsachse radial innerhalb der schrägen Kammerwand angeordnet ist. Des Weiteren kann das Verfahren 300 ein Transportieren 330 der in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel entlang der schrägen Kammerwand nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, mittels einer Kraft, die während einer 360° Drehung, auf die magnetischen Partikel ausgeübt wird, aufweisen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Drehfrequenz bei dem Rotieren 310 so variiert werden, dass bei einem Ausüben 320 der Magnetkraft in einer ersten Phase die Drehfrequenz eine kritische Drehfrequenz überschreitet, wodurch die magnetischen Partikel durch die Magnetkraft entlang der schrägen Kammerwand in einer Richtung nach radial innen bezüglich der Rotationsachse, aus einer ersten Fluidkammer transportiert 330 und parallel zu einer Innenwand einer Verbindung zu einem Wendepunkt der Verbindung, zwischen der ersten Fluidkammer und einer zweiten Fluidkammer, transportiert werden, und in einer zweiten Phase die Drehfrequenz die kritische Drehfrequenz überschreitet, wodurch die magnetischen Partikel zentrifugal in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse, von der Verbindung in die zweite Fluidkammer transportiert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zumindest eine der zwei Fluidkammern zumindest teilweise mit einem flüssigen Medium gefüllt sein, und die magnetischen Partikel können bei dem Transport 330 über eine Phasengrenze zwischen dem flüssigen Medium und einem gasförmigen Medium entlang der schrägen Kammerwand bewegt werden. Die schräge Kammerwand erleichtert das Transportieren und optimiert somit das Verfahren 300.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Partikel mit dem Verfahren 300 zu einer Fluidkammer ohne flüssiges Medium transportiert werden und in der Fluidkammer ohne flüssiges Medium getrocknet werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können beide Fluidkammern teilweise mit flüssigem Medium gefüllt sein, so dass bei dem Transport 330 die magnetischen Partikel von einem ersten flüssigen Medium über gasförmiges Medium in ein zweites flüssiges Medium transportiert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Partikel in dem gasförmigen Medium während des Transports getrocknet werden. Dies ermöglicht, ein Vermischen des ersten flüssigen Mediums mit dem zweiten flüssigen Medium zu vermeiden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die erste Fluidkammer so mit dem flüssigen Medium gefüllt sein, dass die Phasengrenze zwischen dem ersten flüssigen Medium und dem gasförmigen Medium an der schrägen Kammerwand angeordnet ist. Dies ermöglicht einen vereinfachten Transport 330 der magnetischen Partikel durch die Phasengrenze hindurch, da eine magnetische Kraftkomponente in Transportrichtung zeigt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die zweite Fluidkammer teilweise mit flüssigem Medium gefüllt sein und die erste Fluidkammer vollständig mit gasförmigem Medium gefüllt sein. Ferner kann die erste Fluidkammer die magnetischen Partikel aufweisen, so dass bei dem Transport (330) die magnetischen Partikel von der ersten Fluidkammer über das gasförmige Medium in die zweite mit dem flüssigem Medium gefüllte Fluidkammer transportiert werden können.
  • Somit ermöglicht das Verfahren 300 eine Manipulation magnetischer Partikel in einem zentrifugalen Gravitationsfeld.
  • In anderen Worten kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 und das erfindungsgemäße Verfahren 300 wie folgt beschrieben werden:
    • Ein Verfahren/Aufbau, bestehend z. B. aus einem Antrieb, und einem Fluidikmodul. Das Fluidikmodul rotiert z. B. permanent (d. h. für die Dauer des Prozesses) um eine Drehachse. Im Fluidikmodul befindet sich optional eine Anzahl von Kammern, die verbunden sind. Die Kammern sind mit z. B. Flüssigkeit gefüllt. Die Flüssigkeiten in den Kammern sind jeweils optional durch ein Gasvolumen separiert. In mindestens einer der Kammern befinden sich magnetische Partikel. Ein oder mehrere Magnete sind z. B. derart gegenüber dem Fluidikmodul angeordnet, dass das Magnetfeld während des Prozesses die Kammer durchstreift und die Position des Magnetfeldes in Bezug auf die Kammern eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit darstellt. Das Magnetfeld übt dabei eine magnetische Kraft auf die magnetischen Partikel aus. Bei Rotation über einer kritischen Drehfrequenz verbleiben die Partikel z. B. in der Kammer, unter einer kritischen Drehfrequenz werden die Partikel aufgrund der Magnetkraft z. B. nach radial innen aus der Flüssigkeit in das Gasvolumen transportiert, wobei die mit Gas gefüllten Verbindungsstrukturen zwischen den Kammern derart angeordnet sind, dass unter kontinuierlicher Rotation die Partikel von einer der Kammern in eine weitere Kammer transportiert werden können.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei in einer oder mehreren Kammern am Ort der Flüssigkeit-Gas Grenzfläche eine Wand (z. B. eine schräge Kammerwand) derart angeordnet ist, dass sie einen Winkel gegenüber einer r-phi Ebene aufweist, wodurch eine wirkenden Reibungskraft und eine wirkende Magnetkraft als Funktion des Winkels einstellbar sind.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Partikel auf ihrem Weg nach radial innen an eine Führungsstruktur geraten (z. B. eine Innenwand einer Verbindung zwischen einer ersten Fluidkammer und einer zweiten Fluidkammer), die einen radialen Gradienten aufweist und somit derart ausgelegt ist, dass die Partikelbewegung (entlang der schrägen Kammerwand) in Richtung der nächsten Kammer (z. B. der zweiten Fluidkammer) geführt wird.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei Partikel in einer Tasche (z. B. der zweiten Fluidkammer) landen, in der sich keine Flüssigkeit befindet und sie getrocknet werden können.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei sich im Verbindungskanal der Kammern entgegen der Transportrichtung der Partikel eine vorwärtsgewandte Stufe angeordnet ist, die eine Bewegung der Partikel entgegen der Prozessrichtung verhindert.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Richtung der Rotation geändert wird, um die Richtung des Partikeltransportes umzukehren.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die magnetische Kraft auf die Partikel für jeden Ort der Kammer als Funktion der Kammertiefe eingestellt werden kann.
  • Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die azimutale Ausdehnung die einzige variable Größe bezüglich der Dimensionen einer Kammer ist, wodurch für jegliche Flüssigkeitsvolumina eine konstante radiale Position der Flüssigkeit-Gas Grenzfläche gegeben ist.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (18)

  1. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110), mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (120), das für eine Rotation (132) um eine Rotationsachse (134) ausgelegt ist; Fluidikstrukturen (140) in dem Substrat (120), die eine schräge Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) aufweisen, die in einem Winkel α (144) bezüglich einer zu der Rotationsachse (134) senkrechten Ebene (145) angeordnet ist; einem Magnetkraftelement (150), das bezüglich der Rotationsachse (134) radial innerhalb der schrägen Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) angeordnet ist und ausgelegt ist, um abhängig von einer Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement (150) und den Fluidikstrukturen (140) eine Magnetkraft (152) auf die in den Fluidikstrukturen (140) angeordneten magnetischen Partikel (110) auszuüben, wobei die schräge Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) zu dem Magnetkraftelement (150) hin geneigt ist; und einen Antrieb (130), der ausgelegt ist, um das Substrat (120) mit einer Rotation (132) um die Rotationsachse (134) zu beaufschlagen, wodurch sich die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement (150) und den Fluidikstrukturen (140) kontinuierlich ändert, um dabei, während einer Drehung um einen Winkel von 360° um die Rotationsachse, eine Kraft (160) auf die magnetischen Partikel (110) auszuüben, um die magnetischen Partikel (110) entlang der schrägen Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) und nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse (134), zu transportieren.
  2. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110) gemäß Anspruch 1, wobei die schräge Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) den Winkel α (144) in einem Bereich von 0° bis 90° aufweist. (0°<α<90°)
  3. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Fluidikstrukturen (140) in dem Substrat (120) Ausnehmungen aufweisen, die die schräge Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) aufweisen, und wobei die Fluidikstrukturen (140) eine Siegelstruktur (122) aufweisen, die an einer Siegelfläche (124) des Substrats (120), an die die Ausnehmungen angeordnet sind, angeordnet ist.
  4. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110) gemäß Anspruch 3, wobei das Magnetkraftelement (150) an einem stationären Träger (154) befestigt ist, der auf einer Seite des Substrats (120) angeordnet ist, die gegenüber der Siegelfläche (124) liegt.
  5. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fluidikstrukturen (140) eine erste Fluidkammer (170, 1701), eine zweite Fluidkammer (172, 1702) und eine Verbindung (174, 174a, 174b, 1741, 1742, 1743), die die erste Fluidkammer (170, 1701) mit der zweiten Fluidkammer (172, 1702) verbindet, aufweisen und zumindest eine der ersten und zweiten Fluidkammern (170, 1701, 1702, 172) die schräge Kammerwand (142, 1421, 1422, 1423) aufweist.
  6. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110) gemäß Anspruch 5, wobei die Vorrichtung (100) ausgelegt ist, um die magnetischen Partikel (110) über die Verbindung (174, 174a, 174b, 1741, 1742, 1743) von der ersten Fluidkammer (170, 1701) in die zweite Fluidkammer (172, 1702) zu transportieren.
  7. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Verbindung (174, 174a, 174b, 1741, 1742, 1743) eine Innenwand (1751, 1752, 1753) aufweist, die bezüglich der Rotationsachse eine geringere radiale Position als eine Außenwand aufweist und deren radiale Position sich in azimutaler Richtung auf die zweite Fluidkammer (172, 1702) zu ändert, um eine Position der magnetischen Partikel (110) bei einem Transport durch die Verbindung (174, 174a, 174b, 1741, 1742, 1743) sowohl in azimutaler Richtung, von der ersten Fluidkammer (170, 1701) in Richtung der zweiten Fluidkammer (172, 1702), als auch in einer Richtung nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse (134), zu ändern, wenn das Substrat (120) mit einer Drehfrequenz geringer als eine kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird.
  8. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, wobei sich die radiale Position der Innenwand (1751, 1752, 1753) in azimutaler Richtung bis zu einem Wendepunkt (176, 1761, 1762, 1763) nach radial innen verändert und sich die radiale Position ab dem Wendepunkt (176, 1761, 1762, 1763) nach radial außen verändert, wobei die Innenwand (1751, 1752, 1753) ausgelegt ist, um die magnetischen Partikel (110) aufgrund der Magnetkraft (152) an diesem Wendepunkt (176, 1761, 1762, 1763) aufzuhalten, wenn das Substrat (120) mit der Drehfrequenz geringer als die kritische Drehfrequenz beaufschlagt wird.
  9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Innenwand (1751, 1752, 1753) nach dem Wendepunkt (176, 1761, 1762, 1763) derart ausgebildet ist, um bei einem Beaufschlagen des Substrats (120) mit einer Drehfrequenz größer als der kritischen Drehfrequenz, die Position der magnetischen Partikel (110) sowohl in azimutaler Richtung, in Richtung der zweiten Fluidkammer (172, 1702), als auch in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse (134), zu ändern, um die magnetischen Partikel (110) in die zweite Fluidkammer (172, 1702) zu transportieren.
  10. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Partikel (110) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Verbindung (174, 174a, 174b, 1741, 1742, 1743) derart in die zweite Fluidkammer (172, 1702) mündet, dass an einer Mündungsstelle eine Stufe (190) gebildet ist, die bei einem Wirken der Magnetkraft (152) einen Transport der magnetischen Partikel (110) von der zweiten Fluidkammer (172, 1702) in die Verbindung (174, 174a, 174b, 1741, 1742, 1743) verhindert.
  11. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel, mit folgenden Schritten: Rotieren (310) eines Substrats um eine Rotationsachse mittels eines Antriebs, wobei dadurch eine Positionsbeziehung zwischen einem Magnetkraftelement und Fluidikstrukturen in dem Substrat kontinuierlich geändert wird; Ausüben (320) einer Magnetkraft mittels des Magnetkraftelements, abhängig von der Positionsbeziehung zwischen dem Magnetkraftelement und den Fluidikstrukturen in dem Substrat, auf die in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel, wobei die Fluidikstrukturen in dem Substrat eine schräge Kammerwand aufweisen, die in einem Winkel α bezüglich einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene, angeordnet ist, wobei die schräge Kammerwand zu dem Magnetkraftelement hin geneigt ist und wobei das Magnetkraftelement bezüglich der Rotationsachse radial innerhalb der schrägen Kammerwand angeordnet ist; und Transportieren (330) der in den Fluidikstrukturen angeordneten magnetischen Partikel entlang der schrägen Kammerwand nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, mittels einer Kraft, die während einer 360° Drehung, auf die magnetischen Partikel ausgeübt wird.
  12. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß Anspruch 11, wobei eine Drehfrequenz bei der Rotation (310) so variiert wird, dass bei dem Ausüben (320) der Magnetkraft in einer ersten Phase die Drehfrequenz eine kritische Drehfrequenz unterschreitet, wodurch die magnetischen Partikel durch die Magnetkraft entlang der schrägen Kammerwand in einer Richtung nach radial innen, bezüglich der Rotationsachse, aus einer ersten Fluidkammer transportiert (330) und parallel zu einer Innenwand einer Verbindung zu einem Wendepunkt der Verbindung, zwischen der ersten Fluidkammer und einer zweiten Fluidkammer, transportiert werden, und in einer zweiten Phase die Drehfrequenz die kritische Drehfrequenz überschreitet, wodurch die magnetischen Partikel zentrifugal, in einer Richtung nach radial außen, bezüglich der Rotationsachse, von der Verbindung in die zweite Fluidkammer transportiert werden.
  13. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß Anspruch 12, wobei zumindest eine der zwei Fluidkammern zumindest teilweise mit einem flüssigen Medium gefüllt ist, und wobei die magnetischen Partikel bei dem Transport (330) über eine Phasengrenze zwischen dem flüssigen Medium und einem gasförmigen Medium bewegt werden.
  14. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß Anspruch 13, wobei die magnetischen Partikel zu einer Fluidkammer ohne flüssiges Medium transportiert (330) werden und in der Fluidkammer ohne flüssiges Medium getrocknet werden.
  15. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß Anspruch 13, wobei beide Fluidkammern teilweise mit flüssigem Medium gefüllt sind, so dass bei dem Transport (330) die magnetischen Partikel von einem ersten flüssigen Medium über gasförmiges Medium in ein zweites flüssiges Medium transportiert werden.
  16. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß Anspruch 15, wobei die magnetischen Partikel in dem gasförmigen Medium getrocknet werden.
  17. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die erste Fluidkammer so mit dem flüssigen Medium gefüllt ist, dass die Phasengrenze an der schrägen Kammerwand angeordnet ist.
  18. Verfahren (300) zum Transport magnetischer Partikel gemäß Anspruch 13, wobei eine zweite Fluidkammern teilweise mit flüssigem Medium gefüllt ist und eine erste Fluidkammer vollständig mit gasförmigem Medium gefüllt ist, und wobei die erste Fluidkammer die magnetischen Partikel aufweist, so dass bei dem Transport (330) die magnetischen Partikel von der ersten Fluidkammer über ein gasförmiges Medium in die zweite mit flüssigem Medium gefüllte Fluidkammer transportiert werden.
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