DE102019202790A1

DE102019202790A1 - Mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102019202790A1
Application number: DE102019202790.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Sebastian Podbiel; Hannah Bott; Lorenz Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-09-03

Abstract

Ein Verfahren ist zur Prozessierung von wenigstens einem Volumen einer flüssigen Probe (10) vorgesehen, wobei das wenigstens eine Volumen einer flüssigen Probe (10) in wenigstens ein flüssiges Trägermedium (20, 21) eingebettet ist und wobei die flüssige Probe (10) und das wenigstens eine flüssige Trägermedium (20, 21) nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar sind. Für eine Temperierung des Volumens der flüssigen Probe (10) wird das Volumen der flüssigen Probe durch eine Pumpenaktivität zwischen wenigstens zwei Bereichen (201, 202, 203) mit unterschiedlichen Temperaturniveaus innerhalb einer Kammer (103) einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) hin und her bewegt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung von wenigstens einem Volumen einer flüssigen Probe, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Kammer aufweist und wobei die Kammer wenigstens eine thermische Schnittstelle zu wenigstens einer Temperiereinrichtung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Prozessierung von Flüssigkeiten, wobei vorzugsweise die vorgeschlagene mikrofluidische Vorrichtung verwendet wird.
Stand der Technik
Mikrofluidische Analysesysteme, beispielsweise sogenannte Lab-on-Chips, erlauben ein automatisiertes, zuverlässiges, schnelles, kompaktes und kostengünstiges Prozessieren beispielsweise von Patientenproben für die medizinische Diagnostik. Durch eine Kombination von verschiedenen Operationen für eine kontrollierte Manipulation von Flüssigkeiten können beispielsweise komplexe molekulardiagnostische Testabläufe auf einer Lab-on-Chip-Kartusche durchgeführt werden. Für eine gezielte Durchführung vieler biochemischer Reaktionen ist eine kontrollierte Temperierung von Flüssigkeiten erforderlich. Beispielsweise kann durch ein kontrolliertes, zyklisches Temperieren eines entsprechenden Reaktionsgemisches eine Polymerase-Kettenreaktion durchgeführt werden, bei der eine gezielte Amplifikation spezifischer Desoxyribonukleinsäure-Basensequenzen durchgeführt wird. Eine solche Polymerase-Kettenreaktion ist die Grundlage für viele hochsensitive, molekulardiagnostische Nachweise. Die Prozessierung und/oder Temperierung der Flüssigkeiten erfolgt in der Regel in einer oder mehreren Kammern der mikrofluidischen Vorrichtung bzw. der Kartusche.
Eine etablierte Technik zum Temperieren von Flüssigkeitsvolumina auf einer mikrofluidischen Kartusche besteht darin, die Flüssigkeit zwischen verschiedenen Kammern der Kartusche hin und her zu pumpen, wobei die Wände der verschiedenen Kammern unterschiedlich temperiert sind. Auf diese Weise lässt sich ein durch die Größe der Kammern vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen schnell temperieren. Allerdings bedingen die zwischen den einzelnen Kammern erforderlichen Verbindungskanäle Totvolumina, die eine definierte Temperierung des gesamten Flüssigkeitsvolumens verhindern.
Es sind mikrofluidische Vorrichtungen bekannt, die auf der Basis von pneumatisch auslenkbaren elastischen Membranen einen gezielten Flüssigkeitstransport vornehmen. Hierfür sind Pumpkammern in der Vorrichtung erforderlich, die mit solchen elastischen Membranen ausgestattet sind, wobei allerdings die Größe des zu bewegenden Flüssigkeitsvolumens im Wesentlichen von der Größe der Pumpkammern vorgegeben ist. Ein weiteres Problem bei dieser Art des Flüssigkeitstransports unter Verwendung von elastischen Membranen ist, dass insbesondere bei erwärmten Flüssigkeiten, die sich nahe dem Siedepunkt der Flüssigkeit befinden, unerwünschte Flüssigkeitsverluste auftreten können, da die verwendeten Membranen in der Regel eine materialbedingte Gasdurchlässigkeit aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schlägt ein Verfahren vor, das eine besonders vorteilhafte Temperierung auch kleiner Flüssigkeitsvolumina innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung erlaubt. Das Verfahren ist zur Prozessierung von wenigstens einem Volumen einer flüssigen Probe vorgesehen, wobei das wenigstens eine Volumen einer flüssigen Probe in wenigstens ein flüssiges Trägermedium eingebettet ist und wobei die flüssige Probe und das wenigstens eine flüssige Trägermedium nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar sind. Beispielsweise unterscheiden sich die flüssige Probe und das wenigstens eine Trägermedium in ihrer Polarität voneinander. In anderen Worten handelt es sich hierbei um ein Mehrphasensystem, das beispielsweise von einer wässrigen Probe und einem Öl oder einem anderen Trägermedium gebildet wird. Die Probe ist beispielsweise in Form eines Flüssigkeits-Plugs innerhalb des Trägermediums eingeschlossen und wird zusammen mit dem Trägermedium durch die mikrofluidische Vorrichtung geführt. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Volumen der flüssigen Probe für eine Temperierung der flüssigen Probe durch eine Pumpenaktivität zwischen wenigstens zwei Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus innerhalb einer Kammer der mikrofluidischen Vorrichtung hin und her bewegt. Durch die Einbettung der Probe in ein Trägermedium ist es dabei in besonders vorteilhafter Weise möglich, die Probe gezielt zwischen unterschiedlichen Temperaturniveaus hin und her zu bewegen. In besonders vorteilhafter Weise kann durch mehrfache Hin- und Herbewegung eine zyklische Temperierung der Probe, wie sie zum Beispiel für PCR-Reaktionen (Polymerase-KettenReaktionen) erforderlich ist, realisiert werden. Weiterhin erlaubt das Verfahren darüber hinaus eine parallele Prozessierung von zwei oder mehr Volumina der Probe, wobei prinzipiell auch zwei oder mehr Volumina von unterschiedlichen Proben parallel prozessiert werden können.
Bei der flüssigen Probe handelt es sich um eine zu prozessierende Probenflüssigkeit, die beispielsweise Substanzen in einer wässrigen Pufferlösung enthält, wobei in der Regel die enthaltenen Substanzen durch die Prozessierung untersucht und/oder analysiert werden sollen. Es kann sich dabei beispielsweise um biologische Proben handeln, die diagnostisch untersucht werden sollen. Allgemein handelt es sich bei der Probe insbesondere um eine wässrige Lösung, insbesondere für die Durchführung chemischer, biochemischer, medizinischer oder molekulardiagnostischer Analysen, insbesondere mit darin enthaltenem Probenmaterial, insbesondere humanen Ursprungs, gewonnen aus z.B. Körperflüssigkeiten, Abstrichen, Sekreten, Sputum oder Gewebeproben. Die in der Probenflüssigkeit nachzuweisenden Targets sind insbesondere von medizinischer, klinischer, therapeutischer oder diagnostischer Relevanz und können beispielsweise Bakterien, Viren, bestimmte Zellen, wie z. B. zirkulierende Tumorzellen, zellfreie DNA, Proteine oder andere Biomarker sein.
Die Temperierung des wenigstens einen Volumens der flüssigen Probe erfolgt in einer Kammer der mikrofluidischen Vorrichtung, wobei die Kammer durch wenigstens zwei Bereiche gekennzeichnet ist, die unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. Hierfür sind in diesen Bereichen thermische Schnittstellen zu einer oder mehreren Temperiereinrichtungen vorgesehen, sodass in an sich bekannter Weise die einzelnen Bereiche der Kammer in der gewünschten Weise erwärmt bzw. geheizt oder gekühlt werden können.
Das Volumen oder die Volumina der flüssigen Probe werden innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung und insbesondere innerhalb der Kammer unter Verwendung des wenigstens einen flüssigen Trägermediums bewegt, wobei das wenigstens eine Trägermedium sich nicht oder nur geringfügig mit der flüssigen Probe mischt. Die flüssige Probe ist dabei derart in das Trägermedium eingebettet, dass die Probe auch mit den Kammerwänden in Kontakt stehen kann. Hierdurch wird eine unerwünschte Verschiebung der Probe innerhalb des Trägermediums vermieden, da ein Kontakt mit den Kammerwänden einer auf die Probe wirkenden Auftriebskraft entgegenwirkt. Wenn im Folgenden von dem Trägermedium die Rede ist, kann sich dies auf ein Trägermedium oder gegebenenfalls auf zwei oder mehr verschiedene Trägermedien beziehen.
Ein besonderer Vorteil dieses Ansatzes ist, dass durch die Einbettung der flüssigen Probe in das Trägermedium die flüssige Probe Totvolumen-frei temperiert werden kann. Durch die Einbettung der flüssigen Probe in das Trägermedium ist es dabei möglich, die Probe in Form von Flüssigkeits-Plugs durch die Vorrichtung zu führen beziehungsweise in der Kammer in den unterschiedlich temperierten Bereichen zu platzieren. Es müssen also keine Verbindungskanäle und weiteren Hohlräume der Vorrichtung mit der Probe ausgefüllt werden. So kann eine besonders homogene Temperierung des gesamten zu prozessierenden Probenvolumens erzielt werden. Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist dabei, dass mehrere Flüssigkeitsvolumina der Probe in das Trägermedium eingebettet werden können. Dies erlaubt eine parallele und insbesondere zeitgleich erfolgende Prozessierung mehrerer, voneinander verschiedener Volumina der Probe oder von verschiedenen Proben.
Durch eine Totvolumen-freie und homogene thermische Prozessierung der Probe kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Effizienz von thermisch beeinflussten chemischen oder biochemischen Reaktionen erreicht werden, die in dem Flüssigkeitsvolumen der Probe durchgeführt werden. Darüber hinaus bildet eine Totvolumen-freie Temperierung und Prozessierung variabler Flüssigkeitsvolumina der Probe auch die Grundlage für das Handling von besonders kleinen Flüssigkeitsvolumina. Insgesamt erlaubt die Totvolumen-freie Prozessierung der Probe die Möglichkeit der Prozessierung variabler Flüssigkeitsvolumina der Probe und die Möglichkeit der parallelen Prozessierung mehrerer Flüssigkeits-Plugs der Probe als wichtige Vorteile der Erfindung.
In besonders bevorzugter Weise basiert das wenigstens eine Trägermedium auf Mineralölen und/oder Silikonölen und/oder fluorierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere ist das Trägermedium ein Mineralöl oder eine Silikonöl oder ein fluorierter Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch davon. Geeignete Beispiele für fluorierte Kohlenwasserstoffe sind Fomblin^® oder 3M™ Fluorinert™. Derartige Substanzen unterscheiden sich in der Regel in ihrer Polarität deutlich von wässrigen Puffersystemen oder anderen Flüssigkeiten, die in der Regel als zu prozessierende Flüssigkeiten, also als Probe, eingesetzt werden. Die genannten Substanzen für das Trägermedium sind daher nicht oder allenfalls geringfügig mit der flüssigen Probe mischbar und eignen sich in besonderer Weise für eine Verwendung im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Trägermedium im Vergleich mit der flüssigen Probe eine geringere Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität aufweist. Hierdurch werden mögliche parasitäre Wärmeverluste, die während eines Temperierens auftreten können, geringgehalten. Durch die Einbettung der Probe in das Trägermedium ist die Probe gewissermaßen thermisch isoliert. Durch die Verwendung eines Trägermediums mit einer nur sehr geringen Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität können dabei insbesondere bei einem statischen Temperieren die parasitären Wärmeverluste minimiert werden. Weiterhin kann dadurch ein unerwünschter Einfluss von benachbarten thermischen Schnittstellen auf die Probe minimiert werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn zusätzlich oder alternativ das Trägermedium im Vergleich mit der Probe eine geringere Viskosität aufweist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass Gasblasen, die sich insbesondere bei einem Erwärmen der Probe bilden können, leicht in das Trägermedium eindringen können und hierüber abgeführt werden können. Dieser Prozess kann durch eine verhältnismäßig geringe Viskosität des Trägermediums unterstützt werden, da durch die geringere Viskosität des Trägermediums den Gasblasen nur ein geringer fluidischer Widerstand entgegengesetzt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens ist es vorgesehen, das das Volumen der flüssigen Probe durch vorzugsweise vorgesehene Abgrenzungen der einzelnen, unterschiedlich temperierten Bereiche innerhalb der Kammer während der Prozessierung kapillar stabilisiert wird. Die Abgrenzungen können beispielsweise durch Einengungen und Aufweitungen innerhalb der Kammer gebildet werden, sodass das jeweilige Volumen der flüssigen Probe innerhalb der Aufweitungen vorübergehend gewissermaßen gefangen ist und während der Prozessierung für den vorgesehenen Zeitraum stabil innerhalb des vorgesehen Bereichs verbleibt. Die einzelnen Bereiche können auch durch weitergehende oder andere Maßnahmen, beispielsweise durch Ventile, voneinander abgegrenzt sein.
Weiterhin kann es mit Vorteil vorgesehen sein, dass eine Entlüftung der flüssigen Probe über eine Einrichtung zur Abführung von Gasblasen vorgesehen ist, beispielsweise über einen Entlüftungskanal oder eine andere Entlüftungsöffnung, der oder die beispielsweise auch entgegen der Gravitationskraft eine Entlüftung erlaubt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass ein in einem Volumen der flüssigen Probe und/oder in wenigstens einem Trägermedium erzeugtes Fluoreszenzsignal für eine Steuerung und/oder Regelung der Prozessierung eingesetzt wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung von wenigstens einem Volumen einer flüssigen Probe, die in wenigstens ein flüssiges Trägermedium in der oben beschriebenen Weise eingebettet ist. Hierbei sind die flüssige Probe und das wenigstens eine flüssige Trägermedium nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Kammer auf, die durch wenigstens zwei Bereiche mit thermischen Schnittstellen zu wenigstens einer Temperiereinrichtung gekennzeichnet ist, sodass diese Bereiche unterschiedliche Temperaturniveaus für eine Temperierung der Probe bereitstellen können. Der Vorrichtung ist wenigstens eine Pumpeinrichtung zugeordnet, die für einen Transport des Volumens der flüssigen Probe zwischen den wenigstens zwei unterschiedlich temperierbaren Bereichen der Kammer eingerichtet ist.
Über die thermische(n) Schnittstelle(n) stehen die Bereiche der Kammer mit Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen in Kontakt, so dass eine Wärmezufuhr oder - abfuhr von der Vorrichtung möglich ist und eine Temperierung der in der Vorrichtung eingeschlossenen Flüssigkeiten erfolgen kann. Die Temperierung erfolgt dabei insbesondere über einen Wärmeaustausch mit den Kammerwänden.
In besonders bevorzugter Weise kann die Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens genutzt werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kammer der Vorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die unterschiedlich temperierbaren Bereiche der Kammer voneinander abgegrenzt sind, beispielsweise durch Verengungen und/oder Aufweitungen. Diese einzelnen abgegrenzten Bereiche können jeweils einzelne thermische Schnittstellen zur selektiven Temperierung aufweisen. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise eine kapillare Stabilisierung der Probe insbesondere innerhalb der aufgeweiteten Bereiche während der Prozessierung erreicht. In einer weiteren Ausgestaltung können die unterschiedlich temperierbaren Bereiche beispielsweise durch Ventile voneinander abgegrenzt sein, sodass gewissermaßen einzelne Kompartimente gebildet werden. Hierdurch kann ein gezielter Flüssigkeitstransport innerhalb der Kammer vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Kammer mit wenigstens drei Ventilen ausgestattet sein, beispielsweise pneumatisch aktuierte, membranbasierte Ventile, die für einen auf einem peristaltischen Pumpmechanismus basierten Fluidtransport genutzt werden können. Dies hat den Vorteil, dass durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile ein besonders präziser und gezielter Transport der Probe durch die einzelnen Bereiche der Kammer möglich ist.
In besonders bevorzugter Weise weist die Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zur Abführung von Gasblasen auf, beispielsweise eine Entlüftungsöffnung oder einen Entlüftungskanal. Im Allgemeinen nimmt die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten mit steigender Temperatur ab, so dass sich bei der Erwärmung von Flüssigkeiten unerwünschte und störende Gasblasen bilden können. Die Möglichkeit der Abführung von Gasblasen stellt einen besonderen Vorteil der mikrofluidischen Vorrichtung dar. Sich bildende Gasblasen können verschiedene Störeffekte verursachen, beispielsweise kann eine optische Auswertung des zu prozessierenden Probenvolumens beeinträchtigt werden. Durch die Abführung der Gasblasen kann beispielsweise die Durchführbarkeit einer quantitativen Polymerase-Kettenreaktion in der Probe verbessert werden, da durch das Abführen der Gasblasen das Auslesen eines Fluoreszenzsignals, welches in an sich bekannter Weise von Sondenmolekülen in dem Probenvolumen hervorgerufen wird, verbessert werden kann. Auch kann damit vermieden werden, dass sich Gasblasen störend auf die ablaufenden, beispielsweise enzymatischen Prozesse während der Prozessierung auswirken.
Durch die unterschiedlich temperierbaren Bereiche der Kammer ist die Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise für eine räumlich gestaffelte Temperierung eingerichtet. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn in einem Bereich der Kammer, in dem eine maximale Temperatur der Probe erreicht wird, die Einrichtung zur Abführung von Gasblasen vorgesehen ist, da insbesondere in diesem Bereich die höchste Gasblasenentwicklung zu erwarten ist.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Löslichkeit der Probe in dem Trägermedium nur gering ist. Dies minimiert mögliche Verdampfungsverluste der Probe in das Trägermedium. Daher eignen sich beispielsweise fluorinierte Kohlenwasserstoffe in besonderer Weise als Trägermedium, da die fluorinierten Kohlenwasserstoffe nur eine sehr geringe Wasserlöslichkeit aufweisen. Insofern können Verdampfungsverluste aus der Probe, bei der es sich in der Regel um ein wässriges System handelt, weitgehend vermieden werden. Wenn durch die thermische Prozessierung bei dem Trägermedium Verdampfungsverluste auftreten, können diese Verluste durch ein bedarfsorientiertes Nachführen von Trägermedium ausgeglichen werden. Der mikrofluidischen Vorrichtung ist daher vorzugsweise eine Einrichtung zum Nachführen des Trägermediums zugeordnet. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das Volumen der Probe stets von Trägermedium umgeben ist, so dass insgesamt Verdampfungsverluste der Probe minimiert werden und eine fehlerfreie mikrofluidische Prozessierung innerhalb der Vorrichtung gewährleistet werden kann.
Der Flüssigkeitstransport innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt mit einer geeigneten Pumpeinrichtung. Die mikrofluidische Vorrichtung umfasst daher vorzugsweise wenigstens eine Pumpeinrichtung, wobei die Pumpeinrichtung insbesondere auf einem peristaltischen Pumpprinzip basieren kann beziehungsweise eine peristaltische Pumpe ist. Die Pumpeinrichtung kann dabei einen präzisen Transport der Probe und des Trägermediums innerhalb der Vorrichtung und insbesondere zwischen den unterschiedlich temperierbaren Bereichen der Kammer gewährleisten, wobei hierbei ein Transport und ein Prozessieren variabler Flüssigkeitsvolumina möglich sind. Bei dem Pumpen der Probe und des Trägermediums kann es zweckmäßig sein, wenn die Flüssigkeiten in einem Kreislauf geführt werden, insbesondere wenn die Probe zwischen den unterschiedlich temperierten Bereichen der Kammer hin und her gepumpt wird. Weiterhin kann die Pumpeinrichtung zur Erzeugung von Mehrphasensystemen bestimmter Volumina, bestehend aus der Probe und dem Trägermedium, genutzt werden.
In der oben beschriebenen Ausgestaltung der Kammer, bei der die einzelnen Bereiche der Kammer durch Ventile voneinander getrennt sind, kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Ventile ebenfalls ein Flüssigkeitstransport realisiert werden. Beispielsweise können drei oder mehr aktive Ventile vorgesehen sein, die die einzelnen Bereiche der Kammer voneinander und gegenüber den Zuführ- und Abführkanälen abgrenzen und die nacheinander in einem bestimmten peristaltischen Muster aktuiert werden. Insbesondere kann dadurch eine besonders schonende Prozessierung der in das Trägermedium eingebetteten Probe erfolgen. Dabei erfolgt der Transport der Probe gewissermaßen indirekt durch das peristaltische Pumpen des Trägermediums.
Abhängig von dem vorgesehenen Kammervolumen der eingesetzten Peristaltik-Pumpeinrichtung können die zu transportierenden Flüssigkeitsvolumina mit einer festlegbaren, hohen Genauigkeit eingestellt werden. Durch eine Kombination mehrerer Peristaltik-Pumpeinrichtungen mit gegebenenfalls unterschiedlichen Pumpvolumina kann sowohl ein besonders schnelles als auch ein besonders präzises Prozessieren von Flüssigkeitsvolumina erfolgen. Weiterhin kann ein Flüssigkeitstransport über pneumatisch aktuierte, membranbasierte Einrichtungen vorgesehen sein. Bei derartigen, an sich bekannten Einrichtungen werden Pumpkammern eingesetzt, die mit einer pneumatisch auslenkbaren elastischen Membran ausgestattet sind, die zur Verdrängung von Flüssigkeiten und damit zum Flüssigkeitstransport geeignet sind. Durch eine materialbedingte Gasdurchlässigkeit derartiger Membranen kann es bei herkömmlichen Vorrichtungen unter Temperatureinfluss zu einem unerwünschten Flüssigkeitsverlust durch Verdampfen kommen. Die vorliegend beschriebene mikrofluidische Vorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, dass ein direkter Flüssigkeitsverlust der Probe über die elastischen Membranen vermieden werden kann. Durch die Einbettung der Probe in das Trägermedium wird die Kontaktfläche zwischen der Probe und der gegebenenfalls gasdurchlässigen, elastischen Membran erheblich reduziert oder eine Kontaktfläche entfällt vollständig. Somit können Verdampfungsverluste bei der Probe über die gasdurchlässige Membran minimiert werden. Allenfalls können Flüssigkeitsverluste durch Verdampfen des Trägermediums auftreten. Dies ist jedoch unproblematisch, da diese Flüssigkeitsverluste durch Nachführen von Trägermedium ausgeglichen werden können und hierdurch keine Beeinflussung der Probe stattfindet.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Pumpeinrichtung ein Pumpkammervolumen auf, das geringer als das jeweilige Volumen der einzelnen, unterschiedlich temperierbaren Bereiche der Kammer ist. Hierdurch wird eine Flexibilität bei der Verwendung der Vorrichtung im Hinblick auf die zu prozessierenden Probenvolumina erreicht. Allgemein erlaubt die Einbettung der Probe in das Trägermedium den Betrieb der mikrofluidischen Vorrichtung mit variablen Flüssigkeitsvolumina, unabhängig von dem eigentlichen Kammervolumen der mikrofluidischen Vorrichtung. Durch ein entsprechend geringes Pumpkammervolumen können dabei durch entsprechende Vervielfachung der Pumpzyklen der Transport von größeren Flüssigkeitsvolumina realisiert werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass die Pumpe für ein Pumpvolumen im Bereich von einigen 10 nl bis 5 µl (Transportvolumen pro Pumpzyklus) eingerichtet ist, wohingegen die unterschiedlich temperierbaren Bereiche der Kammer jeweils für ein maximales Probenvolumen von bis zu beispielsweise 20 µl oder 50 µl eingerichtet sind. Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass der Zuführkanal der Pumpeinrichtung kleiner als der Durchmesser der Kammer dimensioniert ist. Die mikrofluidische Vorrichtung kann damit mit besonderem Vorteil für verschiedene Reaktionen und/oder Prozessschritte eines Testablaufs flexibel eingesetzt werden. Die Vorrichtung kann beispielsweise für ein statisches Temperieren, ein thermisches Entgasen von Flüssigkeiten oder für die Durchführung einer thermisch beeinflussten chemischen/biochemischen Reaktion, z. B. für eine Polymerase-Kettenreaktion, eingesetzt werden. Durch die hochvariablen Einsatzmöglichkeiten der mikrofluidischen Vorrichtung kann gegebenenfalls eine Vereinfachung des eingesetzten mikrofluidischen Netzwerks erzielt werden. Gegebenenfalls kann ein erhöhter Funktionsumfang für die Durchführung von mikrofluidischen Tests in der mikrofluidischer Vorrichtung ermöglicht werden. Durch eine damit mögliche Vereinfachung der Vorrichtung kann der Materialaufwand für die Fertigung einer derartigen Kartusche (Vorrichtung) gegebenenfalls reduziert werden. Auf diese Weise ist eine besonders kostengünstige sowie ressourcenschonende und nachhaltige Fertigung einer vielseitig einsetzbaren, mikrofluidischen Vorrichtung als Kartusche möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens und der mikrofluidischen Vorrichtung sind mehrere verschiedene beziehungsweise unterschiedliche Trägermedien, insbesondere eine erstes Trägermedium und ein zweites Trägermedium vorgesehen. Diese verschiedenen Trägermedien können für eine besonders stabile Einbettung des Volumens der Probe genutzt werden. Vorzugsweise unterscheiden sich die Trägermedien in ihrer Dichte voneinander, so dass durch die zwangsläufige Trennung der verschiedenen Trägermedien gemäß ihrer Dichte eine stabile Einbettung der Probe zwischen den Trägermedien möglich ist.
Vorteilhafterweise ist die mikrofluidische Vorrichtung mit wenigstens einer optischen Schnittstelle ausgestattet, die zur Beobachtung und/oder Auswertung von optisch nachverfolgbaren Reaktionen innerhalb der Vorrichtung genutzt werden kann. Als optische Schnittstelle kann insbesondere ein transparenter Bereich beziehungsweise ein für Strahlung entsprechender Wellenlänge durchlässiger Bereich in der Vorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise können auf diese Weise Fluoreszenzsignale ausgewertet werden, die beispielsweise bei einer Polymerase-Kettenreaktion oder anderen enzymatischen Reaktionen innerhalb der Vorrichtung generiert werden.
Das Trägermedium zeichnet sich vorzugsweise durch eine geringe Wasserlöslichkeit aus, um eine unerwünschte Durchmischung der Probe und des Trägermediums zu unterbinden. Weiterhin hat das Trägermedium vorzugsweise eine geringe Viskosität, um eine hohe Mobilität, d.h. eine gute Abführung von sich bildenden Gasblasen zu ermöglichen. Weiterhin weist das Trägermedium vorzugsweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um die auftretenden parasitären Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Weiterhin weist das Trägermedium vorzugsweise eine geringe Wärmekapazität auf, um die zu prozessierende thermische Masse möglichst klein zu halten. Bei dem Trägermedium handelt es sich vorzugsweise um Mineralöle, Silikonöle, fluorierte Kohlenwasserstoffe wie 3M™ Fluorinert™ oder Fomblin^®.
Die mikrofluidische Vorrichtung ist vorzugsweise aus Polymeren wie beispielsweise Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP, COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastischen Elastomeren (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol-Blockcopolymer (TPS) hergestellt. Die Vorrichtung kann insbesondere durch Hochdurchsatzverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen, Stanzen, Laserdurchstrahlschweißen und ähnlichem hergestellt werden. Gegebenenfalls können Bestandteile der Vorrichtung aus Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Metallen wie Aluminium, Kupfer, Silber oder Legierungen oder Silizium, insbesondere im Bereich der Wärmeaustauschschnittstellen/thermischen Schnittstellen vorgesehen sein, um einen besonders guten Wärmeaustausch zwischen in der Vorrichtung eingeschlossenen Flüssigkeiten und den verwendeten Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen zu erzielen. Mikrofluidische Pumpeinrichtungen und Ventile können beispielsweise durch die pneumatisch aktuierte Auslenkung einer Polymermembran in Ausnehmungen in einem Polymersubstrat, in dem sich mikrofluidische Kanäle und Kammern befinden, realisiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In den Figuren zeigen:

1 schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß der Erfindung;
2 Darstellung der Kammer als Ausschnitt aus 1;
3 Darstellung der Kammer einer mikrofluidischen Vorrichtung zur Illustrierung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
4 Darstellung der Kammer einer mikrofluidischen Vorrichtung zur Illustrierung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung;
5 Darstellung der Kammer einer mikrofluidischen Vorrichtung zur Illustrierung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung und
6 Blockdiagramm zur Illustrierung einer beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 (Kartusche). 2 zeigt den Ausschnitt 1000 (Kammer 103) aus der 1 in vergrößerter Darstellung. Ein mikrofluidisches Netzwerk 101 ist mittels wenigstens eines Zuleitungskanals 102 an eine zentrale Kammer 103 angebunden. Die Kammer 103 weist in diesem Beispiel drei unterschiedlich temperierbare Bereiche 201, 202, 203 auf, die jeweils eine thermische Schnittstelle zu gegebenenfalls außerhalb der Vorrichtung 100 vorgesehenen Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen 2010, 2020, 2030 aufweisen. Ferner verfügt die Vorrichtung 100 neben wenigstens einer Pumpeinrichtung 110 über mehrere mikrofluidische Ventile 120 zur Steuerung des mikrofluidischen Flusses wenigstens zweier, nicht bzw. nur geringfügig miteinander mischbarer, d.h. weitestgehend getrennt voneinander vorliegender, Flüssigkeiten der ersten und zweiten Phase 10 und 20. Bei der Flüssigkeit der ersten Phase 10 handelt es sich um die zu prozessierende flüssige Probe, insbesondere um eine wässrige Lösung. Bei der Flüssigkeit der zweiten Phase 20 handelt es sich um ein Trägermedium, das nicht oder nur geringfügig mit der Probe 10 mischbar ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die Probe 10 und das Trägermedium 20 in ihrer Polarität. Das in der Vorrichtung 100 zu prozessierende Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 ist in das flüssige Trägermedium 20 eingebettet. Bei der Probe 10 kann es sich beispielsweise um einen Master-Mix handeln, der für die Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion in der Vorrichtung 100 verwendet wird. Bei dem Trägermedium 20 kann es sich beispielsweise um ein Öl handeln, wie ein Mineralöl oder Silikonöl, oder um einen fluorinierten Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Fomblin^® oder 3M™ Fluorinert™, welche nur geringfügig mit der Probe 10 mischbar sind. Vorteilhafterweise weist das Trägermedium 20 nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um die während eines Temperierens auftretenden parasitären Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Probe 10 durch die Pumpaktivität der Pumpeinrichtung 110 zwischen den unterschiedlich temperierbaren Bereichen 201, 202, 203 hin- und herbewegt, um eine gezielte Temperierung der Probe 10 zu erreichen. Insbesondere ist hierdurch eine zyklische Temperierung möglich.
Darüber hinaus befindet sich in dieser vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 an der zentralen Kammer 103 ein Entlüftungskanal 130, um sich bei einem Temperieren möglicherweise bildende Gasblasen 30 unter Ausnutzen einer Auftriebskraft abführen zu können. Durch die Anordnung des Entlüftungskanals 130 ist dabei eine Entlüftung entgegen der Gravitationsrichtung möglich. Vorteilhafterweise weist das Trägermedium 20 eine nur geringe Viskosität auf, um eine hohe Mobilität sich bildender Gasblasen 30 zu erzielen. Der Entlüftungskanal 130 mündet in ein Entlüftungsgefäß 131, in dem möglicherweise anfallende überschüssige Flüssigkeit des Trägermediums 20 gesammelt werden kann und über das die Gasphase nach außen abgeleitet werden kann. Durch geeignete Einstellung der Temperaturen der (externen) Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen 2010, 2020, 2030 (T1 ≥ T2 ≥ T3), die den Bereichen 201, 202, 203 zugeordnet sind, kann erreicht werden, dass sich die Gasblasen 30 vorwiegend im oberen Teil, d.h. in dem an den Entlüftungskanal 130 angrenzenden Teil der zentralen Kammer 103 als dem wärmsten Bereich bilden, sodass eine besonders gute Abführung der Gasblasen 30 erreicht werden kann. Durch die in 1 und 2 skizzierte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 kann unter Verwendung des mikrofluidischen Netzwerks 101 und der Elemente zur Steuerung des mikrofluidischen Flusses (Pumpe 110, Ventile 120) und insbesondere dem oberen Zuleitungskanal 102 an die zentrale Kammer 103 ein Nachführen von Flüssigkeit des Trägermediums 20 in die zentrale Kammer 103 erfolgen, um mögliche Verdampfungsverluste des Trägermediums 20 auszugleichen, welche während des Temperierens auftreten können. Die Zuführung von Trägermedium 20 erfolgt vorteilhafterweise durch den oberen Zuleitungskanal 102 unter Sperrung der Pumpvorrichtung 110, um ein Entgasen des Trägermediums 20 in dem oberen, d.h. in dem an den Entlüftungskanal 130 angrenzenden Teil der zentralen Kammer 103 zu ermöglichen und/oder die Position des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 unverändert zu lassen.
In der in 1 und 2 schematisch dargestellten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 verfügt die zentrale Kammer 103 zusätzlich über eine optische Schnittstelle 301, beispielsweise für die Detektion eines Fluoreszenzsignals, welches von wenigstens einer der Flüssigkeiten ausgeht und von einem geeigneten Optikmodul detektiert wird. So kann anhand des Fluoreszenzsignals beispielsweise die Position der Grenzflächen zwischen dem Volumen der Probe 10 und dem Trägermedium 20 ermittelt werden oder eine Volumenbestimmung durchgeführt werden. Abhängig von dem Ergebnis kann gegebenenfalls der Fluidfluss in der Vorrichtung 100 geeignet gesteuert werden. Das Ergebnis der optischen Auswertung kann also für eine Regelung fluidischer Abläufe eingesetzt werden. Darüber hinaus kann durch eine Detektion des von der zu prozessierenden Flüssigkeit ausgehenden Fluoreszenzsignals möglicherweise eine Auswertung chemischer Reaktionen in Echtzeit erfolgen. So kann beispielsweise durch die Verwendung von geeigneten Fluoreszenzsonden eine quantitative Polymerase-Kettenreaktion in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 durchgeführt werden.
In der in 3 skizzierten speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 wird das Volumen der Probe 10 von zwei verschiedenen Trägermedien 20, 21 umschlossen, wobei die Flüssigkeiten 10, 20 und 21 unterschiedliche Dichten aufweisen, sodass das oberste Trägermedium 21 die kleinste Dichte und das unterste Trägermedium 20 die größte Dichte aufweist (ρ₂₀ ≥ ρ₁₀ ≥ ρ₂₁). Auf diese Weise kann unter Ausnutzen der Gravitationskraft eine stabile Einbettung des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 in die Trägermedien 20, 21 erzielt werden. Vorteilhafterweise sind die verschiedenen Trägermedien 20, 21 nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar.
In der in 4 skizzierten, besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 verfügt die zentrale Kammer 103 über Verengungen/Einstülpungen 1031, die die unterschiedlich temperierbaren Bereiche 201, 202, 203 voneinander abgrenzen. Die Verengungen 1031 bilden eine Verringerung der Querschnittsfläche in der Ebene senkrecht zu der Skizzierebene zwischen den Bereichen 201, 202, 203. Bei einer nahezu statischen Temperierung der Vorrichtung 100 über die Wärmeaustauschschnittstellen der Bereiche 201, 202, 203, d.h. für den Fall, dass sich die Temperaturverteilung der Vorrichtung 100 im Vergleich zu der Temperatur des zu temperierenden Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 nur langsam verändert, beispielsweise bedingt durch die große thermische Masse der Vorrichtung 100 und/oder nur geringe Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung 100, kann so die Grenzfläche zwischen dem zu temperierenden Flüssigkeitsvolumen und den temperierten Wänden der zentralen Kammer 103 vergrößert werden. Zusätzlich kann die Grenzfläche zwischen der Probe 10 und dem Trägermedium 20 gegebenenfalls verringert werden. Dadurch wird ein effizienteres Temperieren des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 innerhalb der zentralen Kammer 103 möglich. Darüber hinaus kann durch einen an den Verengungen 1031 sich aufbauenden Kapillardruck (clogging pressure) verhindert werden, dass es aufgrund eines eventuell vorliegenden Dichteunterschieds zwischen der Probe 10 und dem Trägermedium 20 und durch eine Verkippung der Vorrichtung 100 zu einer unerwünschten Positionsänderung insbesondere des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10, beispielsweise einem Auf- oder Absteigen innerhalb der zentralen Kammer 103 der Vorrichtung 100, durch die auftretende Auftriebskraft kommt, d. h., die Probe 10 wird durch die Verengungen 1031 kapillar stabilisiert.
In der in 5 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 sind die einzelnen Bereiche 201, 202, 203 der zentralen Kammer 103 als einzelne Kompartimente 1033 ausgestaltet, welche über mikrofluidische, beispielsweise pneumatisch aktuierte, membranbasierte Ventile 1032 voneinander abgetrennt werden können. Durch die Ventile 1032 kann darüber hinaus die Kammer 103 von dem zuleitenden und dem ableitenden Kanal abgetrennt werden. Durch die in den Ausnehmungen der pneumatisch aktuierten Ventile 1032 vorliegende Luft kann gegebenenfalls eine besonders gute thermische Isolation zwischen benachbarten Kompartimenten 1033 der zentralen Kammer 103 erzielt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine dynamische Temperierung des Flüssigkeitsvolumens der der Probe 10 auf unterschiedliche Temperaturen angestrebt wird. Ferner können die Ventile 1032, die die zentrale Kammer 103 in mehrere Kompartimente 1033 unterteilen, gegebenenfalls auch für die Herstellung des Fluidtransport innerhalb der Vorrichtung 100 eingesetzt werden: Sofern wenigstens drei derartige Ventile 1032 vorhanden sind, kann darüber ein auf einem peristaltischen Pumpmechanismus basierter Fluidtransport erfolgen. Auf diese Weise kann die Funktionalität einer Pumpeinrichtung in die zentrale Kammer 103 integriert werden, sodass die Notwendigkeit einer Pumpeinrichtung außerhalb der zentralen Kammer 103 gegebenenfalls entfallen kann.
Für die Durchführung des Verfahrens kann zunächst ein Mehrphasensystem, das von der Probe und dem wenigstens einen Trägermedium gebildet wird, hergestellt werden. Dieses Mehrphasensystem wird in die mikrofluidische Vorrichtung eingebracht, so dass eine Temperierung der Probe innerhalb der einzelnen, unterschiedlich temperierbaren Bereiche der Kammer vorgenommen werden kann. Alternativ kann die Herstellung des Mehrphasensystems auch erst innerhalb der Vorrichtung erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens unter Verwendung der beschriebenen mikrofluidischen Vorrichtung. Dieses Verfahren ist vielfältig einsetzbar. Insbesondere kann das Verfahren zum thermischen Entgasen von Flüssigkeiten und/oder zum Abführen von Gasblasen und/oder zur Durchführung von chemischen und/oder biochemischen Prozessen, beispielsweise von molekularbiologischen Prozessen, verwendet werden. Beispielsweise kann mit diesen Verfahren eine Polymerase-Kettenreaktion durchgeführt werden, beispielsweise eine quantitative Polymerase-Kettenreaktion, die unter Verwendung von Fluoreszenzsonden durchgeführt wird. Für eine solche Polymerase-Kettenreaktion ist eine zyklische Temperierung von Flüssigkeiten erforderlich, die in besonders vorteilhafter Weise mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist. Weiterhin kann das Verfahren auch zur Erzeugung eines Temperaturgradienten verwendet werden, der für verschiedene Einsatzzwecke genutzt werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Verfahren für eine parallele Prozessierung von wenigstens zwei Flüssigkeitsvolumina der Probe verwendet. Es werden dabei zwei oder mehr einzelne Flüssigkeitsvolumina innerhalb des Trägermediums eingebettet, so dass die einzelnen Flüssigkeitsvolumina der Probe unabhängig voneinander innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung prozessiert und gegebenenfalls bewegt werden können.
Das beschriebene Verfahren eignet sich in besonderer Weise für die Durchführung von chemischen und/oder biochemischen Prozessen, die auf der Basis der Erzeugung von Fluoreszenzsignalen durchgeführt und/oder ausgewertet werden. Darüber hinaus können mit besonderem Vorteil ein oder mehrere Fluoreszenzsignale, die beispielsweise in einem Volumen der Probe und/oder in dem Trägermedium erzeugt werden, für eine Steuerung und/oder Regelung der Prozessierung eingesetzt werden.
6 illustriert ein Verfahren 2000 als ein Beispiel für einen Betrieb der Vorrichtung 100. In einem ersten Schritt 1 wird in dem mikrofluidischen Netzwerk 101 ein Mehrphasensystem aus wenigstens einem zu prozessierenden Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 und dem wenigstens einen Trägermedium 20, welches nicht oder nur geringfügig mit der flüssigen Probe 10 mischbar ist, erzeugt. In einem zweiten Schritt 2 wird das Mehrphasensystem in die zentrale Kammer 103 eingebracht. Gegebenenfalls kann dazu die Pumpeinrichtung 110 verwendet werden. Nach dem Einbringen des Mehrphasensystems und insbesondere des wenigstens einen Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 in die zentrale Kammer 103 kann in einem dritten Schritt 3 ein gezieltes Temperieren des wenigstens einen Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 in den einzelnen, unterschiedlich temperierbaren Bereichen 201, 202, 203 der zentralen Kammer 103 erfolgen, indem die Probe durch eine Pumpaktivität in den entsprechenden Bereich transportiert wird. Das Temperieren des wenigstens einen Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 kann dabei wie unten beschrieben in unterschiedlichen Ausführungsformen erfolgen. Auf diese Weise können verschiedene Funktionalitäten erzielt werden, wie beispielsweise ein thermisches Entgasen von Flüssigkeiten, ein Abführen von Gasblasen oder die Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion, beispielsweise einer quantitativen Polymerase-Kettenreaktion.
Das Verfahren kann dabei für ein Entgasen der Probe 10 in der zentralen Kammer 103 genutzt werden. Durch eine Erhöhung der Temperatur nimmt die Gaslöslichkeit ab. Durch die auf die ausfallenden Gasblasen 30 wirkende Auftriebskraft kann bei hinreichender Mobilität der Gasblasen 30 ein Abführen der Gasblasen 30 erzielt werden. Schließlich können die Gasblasen 30 durch den Entlüftungskanal 130 entweichen.
Beim Betrieb der Vorrichtung 100 wird das Flüssigkeitsvolumen der Probe 10, eingeschlossen in wenigstens ein Trägermedium 20, in der zentralen Kammer 103 der Vorrichtung 100 beispielsweise nacheinander über wenigstens zwei Bereiche 201, 202, 203 mit unterschiedlicher Temperatur geführt. Vorteilhafterweise steht dabei die Probe 10 mit den Kammerwänden in Kontakt, sodass ein Auftrieb der Probe 10 und ein unerwünschtes Verschieben der Probe 10 innerhalb der Kammer 103 vermieden wird. Durch die Platzierung der Probe 10 in den einzelnen Bereichen 201, 202, 203 kann ein Temperieren des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 auf mehrere voneinander verschiedene Temperaturen erzielt werden, beispielsweise um thermisch aktivierte chemische oder biochemische Reaktionen innerhalb des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 zu ermöglichen. Insbesondere kann das Temperieren des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 zyklisch zwischen mindestens zwei verschiedenen Temperaturniveaus erfolgen, um beispielsweise eine Polymerase-Kettenreaktion in dem Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 durchzuführen. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform des Verfahrens 2000 wird zusätzlich eine optische Schnittstelle 301 eingesetzt, um durch die Detektion eines Fluoreszenzsignals, welches von in dem Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 vorliegenden Fluoreszenzsonden ausgeht, eine quantitative Polymerase-Kettenreaktion durchzuführen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens 2000 zum Betrieb der Vorrichtung 100 befindet sich (ein ausreichend großes) Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 zeitgleich in unterschiedlich temperierten Bereichen 201, 202, 203. Auf diese Weise kann ein Temperaturgradient in dem Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 erzeugt werden. Der Temperaturgradient kann in Verbindung mit der auf die Flüssigkeit wirkenden Gravitationskraft beispielsweise dazu genutzt werden, um eine Konvektionsströmung innerhalb des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 hervorzurufen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens 2000 zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 werden mehrere in wenigstens ein Trägermedium 20 eingebettete Flüssigkeitsvolumina der Probe 10 in die zentrale Kammer 103 eingebracht und in den einzelnen Bereichen 201, 202, 203 separat voneinander temperiert. Auf diese Weise wird eine parallelisierte Prozessierung mehrerer Flüssigkeitsvolumina der Probe 10 ermöglicht. Durch die Einbettung der Flüssigkeitsvolumina in das Trägermedium 20 liegen die Flüssigkeitsvolumina der Probe 10 voneinander abgetrennt vor, sodass voneinander unabhängige und insbesondere unterschiedliche chemische Reaktionen in den Flüssigkeitsvolumina der Probe 10 durchgeführt werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens 2000 zum Betrieb der Vorrichtung 100 wird die optische Schnittstelle 301 eingesetzt, um ein Fluoreszenzsignal zu detektieren, welches beispielsweise von einem Flüssigkeitsvolumen der Probe 10 ausgeht. Dieses Fluoreszenzsignal wird dann als Sonde/Regelsignal eingesetzt, um eine davon abhängige fluidische und/oder thermische und/oder (gegebenenfalls thermisch induzierte) chemische Prozessierung in der Probe 10 in der Vorrichtung 100 zu erzielen. Beispielsweise kann durch die Verwendung eines Fluoreszenzfarbstoffes mit einer temperaturabhängigen Fluoreszenz auf die Temperatur innerhalb des Flüssigkeitsvolumens der Probe 10 zurückgeschlossen werden und eine daraus abgeleitete Prozessierung erfolgen. Darüber hinaus kann durch die Verwendung einer mittels Försterresonanzenergietransfer (FRET) gequenchten und durch eine Polymerase spaltbaren Oligonukleotid-Fluoreszenzsonde (z.B. TaqMan-Sonde) auf das Vorliegen spezifischer Desoxyribonukleinsäure-Sequenzen in der Probe 10 zurückgeschlossen werden. Durch den Einsatz einer derartigen Fluoreszenzsonde kann der Verlauf einer Polymerase-Kettenreaktion damit in Echtzeit verfolgt werden und gegebenenfalls eine davon abhängige Prozessierung erfolgen: Beispielsweise kann eine Polymerase-Kettenreaktions-basierte Amplifikation einer (oder mehrerer) Desoxyribonukleinsäure-Sequenzen bis zu dem Vorliegen eines bestimmten Fluoreszenzsignals erfolgen, d.h. bis zu dem Vorliegen einer bestimmten Menge an amplifizierter Desoxyribonukleinsäure und dieses definierte Reaktionsprodukt dann als Ausgangsmaterial für eine weitere Prozessierung im Rahmen einer molekulardiagnostischen Probenanalyse innerhalb der Vorrichtung 100 dienen.
Beispielhafte Abmessungen und Spezifikationen der Vorrichtung 100:

Dicke der Polymersubstrate:	0,6 mm bis 30 mm, bevorzugt 1 mm bis 10 mm
Dicke der Polymermembran:	50 µm bis 500 µm, bevorzugt 100 µm bis 300 µm
Kanalquerschnitte:	30 × 30 µm² bis 3 × 3 mm², bevorzugt 100 × 100 µm² bis 1 × 1 mm²
Kammerabmessungen:	1 × 1 × 0,3 mm³ bis 100 × 100 × 10 mm³, bevorzugt 3 × 3 × 1 mm³ bis 30 × 30 × 3 mm³
Laterale Abmessungen der gesamten Vorrichtung (100):	30 × 30 mm² bis 300 × 300 mm², bevorzugt 50 × 50 mm² bis 100 × 100 mm²
Volumen der Pumpkammern der Pumpeinrichtung (110):	30 nl bis 100 µl, bevorzugt 100 nl bis 30 µl, besonders bevorzugt 10 nl bis 5 µl
Volumen der zentralen Kammer (103):	3 µl bis 1000 µl, bevorzugt 10 µl bis 300 µl, besonders bevorzugt 20 µl bis 50 µl
Laterale Abmessung einer thermischen Schnittstelle (201, 202, 203):	1 × 1 mm² bis 100 × 100 mm², bevorzugt 3 × 3 mm² bis 30 × 30 mm²

Claims

Verfahren zur Prozessierung von wenigstens einem Volumen einer flüssigen Probe (10), wobei das wenigstens eine Volumen einer flüssigen Probe (10) in wenigstens ein flüssiges Trägermedium (20, 21) eingebettet ist und wobei die flüssige Probe (10) und das wenigstens eine flüssige Trägermedium (20, 21) nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Temperierung des Volumens der flüssigen Probe (10) das Volumen der flüssigen Probe durch eine Pumpenaktivität zwischen wenigstens zwei Bereichen (201, 202, 203) mit unterschiedlichen Temperaturniveaus innerhalb einer Kammer (103) einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) hin und her bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der flüssigen Probe (10) für eine zyklische Temperierung mehrfach zwischen den Bereichen (201, 202, 203) mit unterschiedlichen Temperaturniveaus hin und her bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur parallelen Prozessierung von wenigstens zwei Volumina einer flüssigen Probe (10) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der flüssigen Probe (10) durch Abgrenzungen der einzelnen Bereiche (201, 202, 203) innerhalb der Kammer (103) während der Prozessierung kapillar stabilisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entlüftung der flüssigen Probe (10) über eine Einrichtung (130) zur Abführung von Gasblasen (30) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Volumen der flüssigen Probe (10) und/oder in wenigstens einem Trägermedium (20, 21) erzeugtes Fluoreszenzsignal für eine Steuerung und/oder Regelung der Prozessierung eingesetzt wird.
Mikrofluidische Vorrichtung (100) zur Prozessierung von wenigstens einem Volumen einer flüssigen Probe (10), die in wenigstens ein flüssiges Trägermedium (20, 21) eingebettet ist und wobei die flüssige Probe (10) und das wenigstens eine flüssige Trägermedium (20, 21) nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar sind und wobei die Vorrichtung wenigstens eine Kammer (103) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (103) wenigstens zwei Bereiche (201, 202, 203) mit thermischen Schnittstellen zu wenigstens einer Temperiereinrichtung (2010, 2020, 2030) aufweist, und wobei der Vorrichtung eine Pumpeinrichtung (110) zugeordnet ist, die für einen Transport des Volumens der flüssigen Probe (10) zwischen den wenigstens zwei Bereichen (201, 202, 203) der Kammer (103) eingerichtet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (103) Verengungen (1031) zur Abgrenzung der Bereiche (201, 202, 203) der Kammer (103) aufweist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (201, 202, 203) der Kammer (103) durch Ventile (1032) voneinander abgegrenzt sind.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (130) zur Abführung von Gasblasen (30) aufweist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (110) eine peristaltische Pumpe ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (110) ein Pumpkammervolumen aufweist, das geringer als das jeweilige Volumen der einzelnen Bereiche (201, 202, 203) der Kammer (103) ist.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass ein erstes und ein zweites Trägermedium (20, 21) zur stabilen Einbettung der Probe (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Trägermedium (20, 21) vorgesehen sind, wobei sich das erste und das zweite Trägermedium (20, 21) in ihrer Dichte voneinander unterscheiden und/oder wobei das erste und das zweite Trägermedium (20, 21) nicht oder nur geringfügig miteinander mischbar sind.
Mikrofluidische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine optische Schnittstelle (301) aufweist.