DE102020201112A1 - Optische Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung - Google Patents

Optische Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung (10) ist eine Einkopplung von Licht in die mikrofluidische Vorrichtung (10) und eine Auslesung mittels wenigstens einer Kamera (20) vorgesehen. Die Einkopplung des Lichts erfolgt in einem Winkel zwischen 80° und 100° in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera (20).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung, wobei eine Einkopplung von Licht in die mikrofluidische Vorrichtung und eine Auslesung mittels wenigstens einer Kamera vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Für verschiedene Anwendungsbereiche kommen mikrofluidische Vorrichtungen, wie beispielsweise Mikrofluidik-Chips, zum Einsatz. Derartige, in der Regel aus Kunststoff ausgebildete, fluidische Vorrichtungen weisen Kanal- und/oder Kammerstrukturen auf und können beispielsweise für analytische, präparative oder diagnostische Anwendungen, insbesondere in der Medizin, eingesetzt werden. So können beispielsweise medizinische Probelösungen mit hoher Sensitivität in miniaturisierter Form auf der Basis von biochemischen und/oder molekularbiologischen Reaktionen analysiert werden. Derartige Lab-on-a-Chips werden bereits vielfach in der medizinischen Diagnostik verwendet.
  • Für viele Reaktionen oder Prozesse, die in mikrofluidischen Vorrichtungen ablaufen, ist eine optische Auswertung vorgesehen. Es werden beispielsweise Fluoreszenzmarker verwendet, um Antikörper-basierte oder enzymatische Prozesse auszulesen. Hierfür sind in der Regel eine Lichtquelle beziehungsweise eine Strahlungsquelle und eine Kamera als Auswerteeinrichtung erforderlich. Weiterhin kann beispielsweise durch die Messung von Reflexionen an den Kanalwänden eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Medien in einem mikrofluidischen Netzwerk erfolgen, wobei auch hierfür eine Lichtquelle und eine Kamera notwendig sein können. Eine derartige Messung beruht beispielsweise darauf, dass Reflexionen, die aufgrund einer Brechungsindexänderung zwischen einem Medium und einer umgebenden Substratfläche auftreten, ausgewertet werden, um aus den erfassten Reflexionsintensitäten auf die Natur des jeweiligen Mediums zu schließen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Das vorgeschlagene Verfahren dient zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung, wobei hierfür eine Einkopplung von Licht in die mikrofluidische Vorrichtung und eine Auslesung mittels wenigstens einer Kamera vorgesehen ist. Mit dem Ausdruck „Prozesse“ sind verschiedenartige Prozesse oder Reaktionen gemeint, die in einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie zum Beispiel auf einem Lab-on-a-Chip, ablaufen können, beispielsweise biochemische oder molekularbiologische Prozesse oder auch physikalische Prozesse, die insbesondere zu analytischen oder diagnostischen Zwecken genutzt werden können. Mit dem Ausdruck „Prozesse“ ist beispielsweise auch der Prozess der Füllung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemeint, sodass eine Auslesung des Füllstands der mikrofluidischen Vorrichtung umfasst sein kann. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Einkopplung des Lichts in die mikrofluidische Vorrichtung in einen Winkel zwischen 80° und 100° in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera erfolgt. Vorzugsweise erfolgt die Einkopplung des Lichts in einem Winkel zwischen 85° und 95°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 90°, in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera.
  • Die Einkopplungsrichtung des Lichts liegt also in einem Winkel, d. h. vorzugsweise etwa in einem rechten Winkel, in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera. Wenn die mikrofluidische Einrichtung beispielsweise eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite und Schmalseiten aufweist, kann es vorgesehen sein, dass die Sichtrichtung der Kamera auf die Oberseite oder die Unterseite der Vorrichtung gerichtet ist. Vorzugsweise erfolgt in diesem Fall die Einkopplung von Licht an wenigstens einer Schmalseite der mikrofluidischen Vorrichtung, also gewissermaßen von der Seite. Durch diese seitliche Einkopplung der Lichtquelle wird erreicht, dass eine gegebenenfalls auftretende Reflexion des eingekoppelten Lichts an dem Übergang zu der mikrofluidischen Vorrichtung, beispielsweise dem Chip, nicht in Sichtrichtung der Kamera abstrahlt, sodass eine derartige Reflexion die optische Auslesung nicht stören kann. Weiterhin wird durch die seitliche Einkopplung der Lichtquelle erreicht, dass in den Fällen, in denen eine Reflexion an Kanalwänden ausgewertet werden soll, effektiv mehr Licht an den gewünschten Stellen der mikrofluidischen Vorrichtung reflektiert wird, sodass insgesamt weniger Lichtintensität für die Auswertung erforderlich ist. Mit besonderem Vorteil ist die vorgeschlagene Anordnung für die Einkopplung des Lichts in einem Winkel zwischen 80° bis 100° in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera daher für solche Messungen einsetzbar, die darauf beruhen, dass Reflexionen, die aufgrund einer Brechungsindexänderung zwischen einem Medium und einer umgebenden Substratfläche auftreten, ausgewertet werden, um aus den erfassten Reflexionsintensitäten auf die Natur des jeweiligen Mediums und/oder gegebenenfalls auf den Füllstand der mikrofluidischen Vorrichtung zu schließen.
  • Insgesamt kann mit der vorgeschlagenen Maßnahme der Quotient von erwünschter Reflexion gegenüber dem Lichteinfall maximiert werden, sodass umgekehrt bei gleichbleibend erwünschter Reflexion der totale Lichteinfall minimiert wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass degradierende oder zerstörende Effekte des einfallenden Lichts minimiert werden können. Beispielsweise können prinzipiell durch das einfallende Licht fototoxische oder fotobleichende Effekte auf die Reagenzien innerhalb des fluidischen Netzwerks ausgeübt werden. Daher ist es vorteilhaft, insgesamt den Lichteinfall zu minimieren, um derartige nachteilige Effekte zu verringern.
  • Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Einkopplungseinrichtung für Licht mit wenigstens einer Lichtquelle, beispielsweise eine LED, und wenigstens eine Kamera als Ausleseeinrichtung. Kern der Erfindung ist, dass die Einkopplungseinrichtung in einem Winkel zwischen 80° und 100°, vorzugsweise zwischen 85° und 95°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 90°, in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera angeordnet ist. Durch die dadurch realisierte Einstrahlung des Lichts in einem Winkel, insbesondere in einem rechten Winkel, in Bezug zur Sichtrichtung der Kamera wird, wie oben bereits beschrieben, erreicht, dass störende Reflexionen nicht in die Kamera gelangen und dass der Quotient von erwünschten Reflexionen gegenüber dem Lichteinfall maximiert werden kann.
  • Wenn die mikrofluidische Vorrichtung mit einer flächigen Oberseite und einer flächigen Unterseite sowie Schmalseiten ausgebildet ist, ist es bei herkömmlichen Anordnungen oftmals vorgesehen, dass die Sichtrichtung der Kamera auf die Oberseite oder die Unterseite der Vorrichtung gerichtet ist. In diesen Fällen ist es gemäß dem vorgeschlagenen Ansatz vorgesehen, dass die Einkopplung des Lichts an wenigstens einer Schmalseite der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt, sodass das einfallende Licht in einem etwa rechten Winkel (zwischen 80° und 100°) zu der Sichtrichtung der Kamera ausgerichtet ist.
  • In besonders bevorzugten Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass zwischen der Lichtquelle der Einkopplungseinrichtung und der mikrofluidischen Vorrichtung ein Material angeordnet ist, das zur Minimierung der Reflexion an Grenzflächen vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme kann eine Reflexion bei dem Eintritt des Lichts in die mikrofluidische Vorrichtung verringert oder verhindert werden. Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um ein optisches Öl (oder ein Immersionsöl) handeln. In anderen Ausgestaltungen kann hierfür die Verwendung von Polydimethylsiloxan und/oder thermoplastischen Elastomeren und/oder einem Index-Matching-Gel vorgesehen sein.
  • Weiterhin kann es mit Vorteil vorgesehen sein, dass das Material die Einkopplungseinrichtung und die mikrofluidische Vorrichtung ohne Luftspalt verbindet, sodass der Eintritt des eingekoppelten Lichts in die mikrofluidische Vorrichtung ohne Reflexion oder anderweitige Ablenkung der Strahlung weiter verbessert wird.
  • In weiteren Ausgestaltungen der Vorrichtung kann es sich bei dem Material um ein Material mit Lichtdiffusor-Eigenschaften handeln. Hierfür kann beispielsweise ein milchiges Material eingesetzt werden. Durch diese Maßnahme kann eine weiter verbesserte, gleichmäßigere Beleuchtung beziehungsweise gleichmäßigere Einkopplung des Lichts über einen größeren Bereich der mikrofluidischen Verrichtung erreicht werden.
  • In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung ist die wenigstens eine Lichtquelle in das Material, das zur Minimierung der Reflexion vorgesehen ist, eingebettet. Insbesondere können mehrere Lichtquellen in das Material eingebettet sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung beträgt der Öffnungswinkel α des Lichts bei dem Eintritt in das Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung gleich oder bevorzugt weniger als die Differenz zwischen 90° und dem Grenzwinkel (Grenzwinkel der Totalreflexion) zwischen dem Substrat und Luft. Der Grenzwinkel der Totalreflexion hängt von dem Brechungsindex des jeweiligen Substrats der mikrofluidischen Vorrichtung ab. Bei einem Polycarbonatsubstrat, das für diese Zwecke vorteilhafterweise eingesetzt werden kann, beträgt der Grenzwinkel der Totalreflexion am Übergang von Substrat und Luft beispielsweise 39°. Hieraus ergibt sich der bevorzugte Öffnungswinkel α für ein Polycarbonatsubstrat mit 51° oder weniger, beispielsweise kann der Öffnungswinkel α zwischen 30° und 40°, beispielsweise 35° betragen. Bei diesem bevorzugten Öffnungswinkel des Lichts findet am Übergang zwischen dem Substrat und der Luft vermehrt eine Totalreflexion statt, sodass im Wesentlichen kein Licht aus dem Substrat austritt. Somit steht ein Großteil des eingebrachten Lichts für die optische Auslesung zur Verfügung und kann beispielsweise zur Reflexion an einer Kanalwand genutzt werden, um unterschiedliche Medien oder durch Unterscheidung zwischen Luft und einem flüssigen Medium den Füllstand in einem mikrofluidischen Netzwerk zu erkennen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
  • In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 schematische Schnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit Kamera und Einkopplungseinrichtung für Licht gemäß einer Anordnung aus dem Stand der Technik;
    • 2 schematische Schnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit Kamera und Einkopplungseinrichtung für Licht gemäß der Erfindung;
    • 3 isometrische Ansicht einer mikrofluidischen Vorrichtung und einer Einkopplungseinrichtung für Licht gemäß der Erfindung;
    • 4 schematische Schnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit Kamera und Lichtquelle gemäß der Erfindung.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • 1 illustriert die Anordnung einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 mit einer Einkopplungseinrichtung für Licht in Form einer Lichtquelle 30 und einer Kamera 20 als Ausleseeinrichtung gemäß dem Stand der Technik. Die mikrofluidische Vorrichtung 10 enthält einen hier schematisch angedeuteten Kanal 11, der beispielsweise mit einem flüssigen Medium gefüllt ist. Je nach Anwendung und Art der auszuwertenden Prozesse können sich innerhalb des oder der Kanäle 11 oder anderer Kompartimente innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung 10 beispielsweise wässrige Lösungen oder auch ölige Phasen oder beispielsweise auch Luft, je nach Füllstand, befinden. Für eine optische Auswertung der innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung 10 ablaufenden Prozesse ist eine Kamera 20 vorgesehen, die oberhalb der Oberseite der mikrofluidischen Vorrichtung 10 angeordnet ist. Die Sichtrichtung der Kamera 20 steht also in einem rechten Winkel zur Oberfläche der mikrofluidischen Vorrichtung 10. Schräg seitlich oberhalb der mikrofluidischen Vorrichtung 10 befindet sich die Lichtquelle 30. Bei der Lichtquelle 30 kann es sich beispielsweise um eine LED handeln. Mittels der Lichtquelle 30 wird die mikrofluidische Vorrichtung 10 beleuchtet (Strahlen 31). Die Strahlen 31 führen zu einer Beleuchtung oder Anregung von Medien oder Substanzen innerhalb des Kanals 11 der mikrofluidischen Vorrichtung 10, sodass eine resultierende Strahlung 12, beispielsweise eine Fluoreszenzstrahlung oder anderes, von der Kamera 20 erfasst und entsprechend ausgewertet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Beleuchtung 31 auch zur Erzeugung einer Reflexionsstrahlung 12 an den Wänden des Kanals 11 genutzt werden, sodass anhand der messbaren Reflexionsintensitäten beispielsweise auf die Natur des jeweiligen Mediums in dem Kanal 11 rückgeschlossen werden kann. Hierfür sollte das Medium einen anderen Brechungsindex als das Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung 10 aufweisen. Mit diesem Verfahren der Messung von Reflexionsintensitäten kann beispielsweise zwischen Luft und flüssigem Medium innerhalb des Kanals 11 unterschieden werden, sodass der Füllstand des Kanals 11 ermittelt werden kann.
  • An dem Übergang der Strahlung 31 von der Außenluft auf die Oberfläche des Substrats der mikrofluidischen Vorrichtung 10 kommt es zu einer Reflexion 41 des eingestrahlten Lichts. Diese unerwünschte Reflexion 41 kann in das Sichtfeld der Kamera 20 geraten und das Signal der auszuwertenden Strahlung 12, beispielsweise Fluoreszenzstrahlung oder einer erwünschten Reflexion an der Kanalwand stören. Eine weitere Reflexionsstrahlung 42 kann bei dem Auftreffen der Strahlung 31 an der Wand des Kanals 11 erfolgen.
  • 2 illustriert eine Anordnung von Lichtquelle 300 in Bezug zu der Kamera 20 gemäß der Erfindung. Die Lichtquelle 300 findet sich in dieser Darstellung seitlich der mikrofluidischen Vorrichtung 10. Die Kamera 20 ist oberhalb der mikrofluidischen Vorrichtung 10 angeordnet. Hierbei steht die Richtung des eingestrahlten Lichts 310 etwa in einem rechten Winkel zu der Sichtrichtung der Kamera 20 auf die mikrofluidische Vorrichtung 10. Somit steht die seitliche Oberfläche 12, also gewissermaßen die Schmalseite der mikrofluidischen Vorrichtung 10, durch die das Licht 310 eintritt, etwa in einem rechten Winkel zur Sichtrichtung der Kamera 20. Das eingestrahlte Licht 310 der Quelle 300 wird, falls es an der ersten Grenzfläche, also der seitlichen Oberfläche 12, reflektiert wird (Reflexionsstrahlung bzw. zurückfallende Strahlung 410), wieder zurück zur Lichtquelle 300 und nicht in die Kamera 20 reflektiert. Somit fällt ein Großteil von störender Strahlung im Vergleich mit einer Anordnung aus dem Stand der Technik gemäß 1 bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung weg. Die für die optische Auswertung (Auslesung) maßgebliche Strahlung 120 wird nicht durch die Reflexionsstrahlung 410 gestört. In diesem Beispiel ist als auszuwertende Strahlung eine Reflexionsstrahlung 120 an der Wand des Kanals 11 dargestellt. Eine weitere Reflexionsstrahlung 420 kann an der Wand des Kanals 11 in Richtung der Lichtquelle 300 auftreten. Diese Strahlung 420 gelangt jedoch nicht in das Sichtfeld der Kamera 20. In vergleichbarer Weise kann beispielsweise auch eine optische Anregung von Substanzen in dem Medium innerhalb des Kanals 11 zur Auswertung vorgesehen sein, beispielsweise die optische Anregung einer Fluoreszenzstrahlung, die als Read-out eines Assay vorgesehen sein kann. Auch bei solchen Anwendungen kann die vorgeschlagene Anordnung mit einer seitlichen Lichtquelle (d. h. Einkopplung des Lichts in einem Winkel zwischen 80° und 100° in Bezug zur Sichtrichtung der Kamera) Vorteile bieten. Insbesondere können damit in Abhängigkeit von Länge und Dicke des Substrats der mikrofluidischen Vorrichtung unerwünschte Reflexionen verringert werden, sodass insgesamt die Lichtausbeute und damit die optische Anregung und die Auslesbarkeit der Prozesse verbessert werden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung beruht also im Kern darauf, dass das eingekoppelte Licht in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera 20 etwa in einem rechten Winkel (80° bis 100°) steht. Durch diese Anordnung steht insbesondere die Oberfläche, durch die das Licht 310 in die mikrofluidische Vorrichtung 10 eintritt, in etwa einem rechten Winkel zur Sichtrichtung der Kamera 20. Falls das einfallende Licht an der Grenzfläche der mikrofluidischen Vorrichtung 10 reflektiert wird, strahlt die Reflexion zurück zur Lichtquelle 300 und nicht in die Kamera 20. Somit gelangt keine störende Reflexionsstrahlung in das Kamerasichtfeld.
  • In der hier gezeigten Ausgestaltung der Anordnung besteht der Spalt zwischen Lichtquelle 300 und der seitlichen Oberfläche 12 der mikrofluidischen Vorrichtung 10 nicht aus Luft, sondern aus einem Material 301, das sich durch einen an den Brechungsindex des Substrats der mikrofluidischen Vorrichtung angepassten Brechungsindex auszeichnet, sodass die Reflexion an der Grenzfläche 12 minimiert wird. Beispielsweise eignet sich hierfür ein optisches Öl. Ein entsprechendes Öl, z. B. ein Immersionsöl, kann in einen Spalt zwischen der Lichtquelle 300 und der mikrofluidischen Vorrichtung 10 eingebracht werden. Das Material 301 kann beispielsweise auch elastisch sein. Beispielsweise kann die Lichtquelle 300 in ein elastisches Material 301 eingebettet sein, sodass die mikrofluidische Vorrichtung ohne Luftspalt formschlüssig mit der entsprechend eingebetteten Lichtquelle 300 über das im Brechungsindex angepasste Material 301 verbunden werden kann. Zu diesem Zweck können beispielsweise PDMS (Polydimethylsiloxan) oder TPE (thermoplastische Elastomere) verwendet werden. Beispielsweise kann die Lichtquelle 300, die in dem Material 301 eingebettet ist, Teil einer Kartusche sein, in die die mikrofluidische Vorrichtung 10 für die Prozessierung eingesetzt wird.
  • Als Material 301 für die Einbettung der Lichtquelle 300 bzw. als Material zwischen der Lichtquelle 300 und dem Eintritt der Strahlung in die mikrofluidische Vorrichtung 10 kann mit besonderem Vorteil ein Index-Matching-Gel (z.B. von Thorlabs) verwendet werden, um den Brechungsindex anzupassen. In anderen Ausgestaltungen können beispielsweise auch Polydimethylsiloxan oder thermoplastische Elastomere oder anderes verwendet werden. Als Lichtquellen können beispielsweise LEDs zum Einsatz kommen. Als Kamera eignet sich beispielsweise eine CMOS-Kamera (CMOS-Complementary Metal Oxid Semiconductor).
  • Das Material 301 kann beispielsweise auch als Diffusor wirken, beispielsweise durch ein milchiges Material, sodass über den gesamten Berührungsbereich zwischen Material 301 und mikrofluidischer Vorrichtung 10 eine gleichmäßige Beleuchtung ermöglicht wird. Beispielsweise eignen sich hierfür UV-vernetzbare Silikone (z. B. UV-PDMS von Micro resist technology GmbH, DE)
  • 3 illustriert eine bevorzugte Ausgestaltung einer Einkopplungseinrichtung für Licht, bei der eine Mehrzahl von Lichtquellen 300 beispielsweise nebeneinander angeordnet ist. Beispielsweise können hierfür mehrere Lichtquellen 300 in ein, im Brechungsindex angepasstes Material 301 eingebettet sein. Mit einer solchen Einkopplungseinrichtung 301, 300 kann über die gesamte Schmalseite der mikrofluidischen Vorrichtung 10 die Beleuchtung eingestellt werden. In der hier gezeigten Darstellung befindet sich zwischen der Einkopplungseinrichtung 301, 300 und der mikrofluidischen Vorrichtung 10 ein Luftspalt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Material 301 der Einkopplungseinrichtung beispielsweise formschlüssig direkt an der mikrofluidischen Vorrichtung 10 anliegt, sodass kein Luftspalt vorgesehen ist und eine optimale Lichteinkopplung ohne Reflexion an der Grenzfläche zur mikrofluidischen Vorrichtung 10 erleichtert wird.
  • 4 illustriert eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Anordnung aus mikrofluidischer Vorrichtung 10, Kamera 20 und der seitlich angeordneten Lichtquelle 300, wobei der schematisch angedeutete Öffnungswinkel α des Lichts im Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gleich oder bevorzugt weniger als die Differenz zwischen 90° und dem Grenzwinkel (Grenzwinkel der Totalreflexion) zwischen Substrat und Luft beträgt. Beispielsweise bei einem Polycarbonatsubstrat, das für diese Zwecke vorteilhafterweise eingesetzt werden kann, beträgt der Grenzwinkel der Totalreflexion am Übergang von Substrat (Polycarbonat - Brechungsindex 1,585) und Luft (Brechungsindex 1):
    Grenzwinkel = arcsin (1/1,585) = 39°
    Daraus ergibt sich der maximale Öffnungswinkel für Licht im Substrat mit 51° (Berechnung 90° - 39°). Somit ist bei dem Einsatz von Polycarbonat als Substrat für die mikrofluidische Vorrichtung der bevorzugte maximal mögliche Öffnungswinkel α des Lichts kleiner als 51°, beispielsweise zwischen 30° und 40°, beispielsweise 35°. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass3 an dem Übergang zwischen Substrat und Luft, hier beispielhaft anhand der Position 150 dargestellt, vermehrt eine Totalreflexion stattfindet, sodass im Wesentlichen kein Licht aus dem Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung 10 austritt. Das Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung 10 fungiert hierbei gewissermaßen als Lichtwellenleiter und ein Großteil des eingebrachten Lichts kann für die optische Auslesung mittels der Kamera 20 genutzt werden. Hier ist in beispielhafter Weise eine auszulesende Reflexion 120 an der Wand des Kanals 11 dargestellt. Insgesamt kann damit der Quotient der Reflexion gegenüber dem Lichteinfall maximiert werden, sodass bei gleichbleibend hoher Reflexion der totale Lichteinfall verringert werden kann.
  • In bevorzugter Weise basiert die mikrofluidische Vorrichtung auf einem Polymermaterial, insbesondere einem Polycarbonatsubstrat. In anderen Ausgestaltungen kann als Substrat beispielsweise Glas verwendet werden.
  • Insbesondere in solchen Fällen, in denen die Auswertung der Prozesse innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung auf einer Reflexion an Grenzflächen beruht, spielt der jeweilige Brechungsindex des bzw. der verwendeten Materialien eine Rolle. Der Brechungsindex vom Polycarbonat ist beispielsweise 1,585, derjenige von Glas ca. 1,4.
  • Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung eignen sich insbesondere für die optische Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung, bei der mit Reflexionen an Grenzflächen innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung gearbeitet wird. Weiterhin können das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung auch für andere optische Auslesemöglichkeiten von Prozessen in mikrofluidischen Vorrichtungen mit Vorteil zum Einsatz kommen, in denen beispielsweise mit der Auswertung von Fluoreszenzstrahlung oder anderer Strahlung gearbeitet wird.

Claims (14)

  1. Verfahren zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung (10), wobei eine Einkopplung von Licht in die mikrofluidische Vorrichtung (10) und eine Auslesung mittels wenigstens einer Kamera (20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Lichts in einem Winkel zwischen 80° und 100° in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera (20) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Lichts in einem Winkel zwischen 85° und 95° in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera (20) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite und Schmalseiten aufweist, wobei die Sichtrichtung der Kamera (20) auf die Oberseite oder die Unterseite der mikrofluidischen Vorrichtung (10) gerichtet ist und wobei die Einkopplung von Licht an wenigstens einer Schmalseite (12) der mikrofluidischen Vorrichtung (10) erfolgt.
  4. Vorrichtung zur optischen Auslesung von Prozessen innerhalb einer mikrofluidischen Vorrichtung (10) mit einer Einkopplungseinrichtung für Licht mit wenigstens einer Lichtquelle (300) und wenigstens einer Kamera (20) als Ausleseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungseinrichtung zur Einkopplung des Lichts in einem Winkel zwischen 80° und 100° in Bezug zu der Sichtrichtung der Kamera (20) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite und Schmalseiten aufweist, wobei die Sichtrichtung der Kamera (20) auf die Oberseite oder die Unterseite der mikrofluidischen Vorrichtung (10) gerichtet ist und wobei die Einkopplung von Licht an wenigstens einer Schmalseite (12) der mikrofluidischen Vorrichtung (10) erfolgt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen Lichtquelle (300) und der mikrofluidischen Vorrichtung (10) ein Material (301) zur Minimierung der Reflexion an Grenzflächen vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (301) ein optisches Öl umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennnzeichnet, dass das Material (301) Polydimethylsiloxan und/oder ein Index-Matching-Gel umfasst.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (301) die Einkopplungseinrichtung und die mikrofluidische Vorrichtung ohne Luftspalt verbindet.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (301) Lichtdiffusor-Eigenschaften aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Lichtquelle (300) in das Material (301) eingebettet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtquellen (300) in das Material (301) eingebettet sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel α des Lichts bei dem Eintritt in die mikrofluidische Vorrichtung (10) gleich oder weniger als die Differenz zwischen 90° und dem Grenzwinkel der Totalreflexion zwischen dem Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung und Luft beträgt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidische Vorrichtung (10) ein Polycarbonatsubstrat umfasst.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023078817A1 (de) * 2021-11-08 2023-05-11 Robert Bosch Gmbh Optische vorrichtung zum anregen einer probe, analysegerät und verfahren zum anregen einer probe

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130004987A1 (en) 2005-10-28 2013-01-03 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for improved optical detection of particles in fluid
WO2014165879A1 (de) 2013-04-12 2014-10-16 Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh Mikro-fluoreszenzdetektionsvorrichtung sowie verfahren hierfür
WO2015132347A1 (en) 2014-03-07 2015-09-11 One Drop Diagnostics Sàrl Fluorescence-detected assays on microfluidic chips
US20170138919A1 (en) 2010-09-28 2017-05-18 University Court Of The University Of St Andrews Raman spectroscopic detection device
US20180265937A1 (en) 2006-03-10 2018-09-20 Reuven Duer Waveguide-based detection system with scanning light source
US20180275045A1 (en) 2015-09-28 2018-09-27 Politecnico Di Milano Optofluidic device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130004987A1 (en) 2005-10-28 2013-01-03 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for improved optical detection of particles in fluid
US20180265937A1 (en) 2006-03-10 2018-09-20 Reuven Duer Waveguide-based detection system with scanning light source
US20170138919A1 (en) 2010-09-28 2017-05-18 University Court Of The University Of St Andrews Raman spectroscopic detection device
WO2014165879A1 (de) 2013-04-12 2014-10-16 Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh Mikro-fluoreszenzdetektionsvorrichtung sowie verfahren hierfür
WO2015132347A1 (en) 2014-03-07 2015-09-11 One Drop Diagnostics Sàrl Fluorescence-detected assays on microfluidic chips
US20180275045A1 (en) 2015-09-28 2018-09-27 Politecnico Di Milano Optofluidic device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023078817A1 (de) * 2021-11-08 2023-05-11 Robert Bosch Gmbh Optische vorrichtung zum anregen einer probe, analysegerät und verfahren zum anregen einer probe

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