DE102020202269A1

DE102020202269A1 - Method for fixing and stabilizing a state of liquids in a cartridge of a lab-on-chip and associated cartridge

Info

Publication number: DE102020202269A1
Application number: DE102020202269.0A
Authority: DE
Inventors: Astrid Roth; Hannah Bott; Tanja Maucher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Verfahren zur Fixierung eines Zustandes von Flüssigkeiten (6,8,9) auf einer Kartusche (11) eines Lab-on-Chip, welche eine Mehrzahl von Kammern (1,2,4,5) zur Aufnahme der Flüssigkeiten (6,8,9) aufweist, wobei die Kammern (1,2,4,5) durch mikrofluidische Pfade (12) miteinander verbunden sind und die Flüssigkeiten (6,8,9) durch eine äußere Kraft über die fluidischen Pfade (12) gezielt in die Kammern (1,2,4,5) fließen, aufweisend zumindest folgende Schritte:a) Vorlagern eines Stoffes (7) in einer Vorlagerungskammer (3), welche mit den mikrofluidischen Pfaden (12) verbunden ist, der Stoff (7) durch einen Aktivierungsmechanismus gezielt zumindest von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand umwandelbar ist,b) Steuern des Flusses des Stoffes (7) im flüssigen Zustand von der Vorlagerungskammer (3) in die mikrofluidischen Pfade (12),c) Umwandeln des Stoffes (7), der sich in den mikrofluidischen Pfaden (12) befindet, vom flüssigen Zustand in den festen Zustand, sodass die mikrofluidischen Pfade (12) blockiert werden.Method for fixing a state of liquids (6,8,9) on a cartridge (11) of a lab-on-chip, which has a plurality of chambers (1,2,4,5) for receiving the liquids (6,8, 9), the chambers (1, 2, 4, 5) being connected to one another by microfluidic paths (12) and the liquids (6, 8, 9) being targeted by an external force via the fluidic paths (12) into the chambers (1,2,4,5) flow, comprising at least the following steps: a) pre-storing a substance (7) in a pre-storage chamber (3) which is connected to the microfluidic paths (12), the substance (7) by an activation mechanism is selectively convertible at least from a liquid state to a solid state, b) controlling the flow of the substance (7) in the liquid state from the pre-storage chamber (3) into the microfluidic paths (12), c) converting the substance (7), the is located in the microfluidic paths (12), from the liquid state to the solid state, so that the microfluidic Paths (12) are blocked.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Fixierung und Stabilisierung eines Zustandes von Flüssigkeiten in einer Kartusche eines Lab-on-Chip oder auch Chiplabors.The present application relates to a method for fixing and stabilizing a state of liquids in a cartridge of a lab-on-chip or also a chip laboratory.

Der Begriff „Kartusche“ bzw. Chiplabor (English: Lab-on-a-Chip) bezeichnet ein mikrofluidisches System, das die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors zur Analysierung von biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen auf einem Chip unterbringt. Die Kartusche weist mikrofluidische Pfade sowie Kammern auf, in denen eine (bio-)chemische Analyse stattfindet. Das Chiplabor umfasst in der Regel eine Kartusche, welche mit einer Analyseeinheit eingesetzt werden kann, um eine Analyse durchzuführen. Auf bzw. in der Kartusche lassen sich geringste Mengen von Flüssigkeiten und ihre Bestandteile analysieren. Dazu erzeugt die Antriebseinrichtung der Analyseeinheit eine äußere Kraft, die die Bewegung der Flüssigkeiten auf der Kartusche steuert. Somit können die Flüssigkeiten gezielt über mikrofluidische Pfade der Kartusche zwischen den verschiedenen Kammern des Chips transportiert werden.The term “cartridge” or chip laboratory (English: Lab-on-a-Chip) describes a microfluidic system that accommodates the entire functionality of a macroscopic laboratory for the analysis of biological, chemical and physical processes on a chip. The cartridge has microfluidic paths and chambers in which a (bio) chemical analysis takes place. The chip laboratory usually includes a cartridge which can be used with an analysis unit in order to carry out an analysis. The smallest quantities of liquids and their components can be analyzed on or in the cartridge. For this purpose, the drive device of the analysis unit generates an external force that controls the movement of the liquids on the cartridge. The liquids can thus be transported between the different chambers of the chip in a targeted manner via microfluidic paths in the cartridge.

Allerdings ist es regelmäßig nicht oder nur schwer möglich, übliche Kartuschen für Lab-on-Chip-Anwendungen unter Beibehaltung des Zustandes der zu analysierenden Flüssigkeiten z. B. nach der Durchführung eines (Teil-) Prozesses zu bewegen, zwischenzulagern etc., weil der Zustand der Flüssigkeiten in der Kartusche durch nicht klar definierte Bewegungen in undefinierter Weise verändert werden kann.However, it is usually not possible or only with difficulty to use conventional cartridges for lab-on-chip applications while maintaining the condition of the liquids to be analyzed, e.g. B. after a (partial) process has been carried out, to be temporarily stored, etc., because the state of the liquids in the cartridge can be changed in an undefined manner by movements that are not clearly defined.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Hiervon ausgehend wird hier ein vorteilhaftes Verfahren zum Fixieren des Zustandes und eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Fixierung und Stabilisierung eines Zustandes von Flüssigkeiten auf einer Kartusche bzw. auf einem Chip eines Chiplabors beschrieben.Proceeding from this, an advantageous method for fixing the state and a particularly advantageous device for fixing and stabilizing a state of liquids on a cartridge or on a chip of a chip laboratory are described here.

Hier beschrieben wird ein Verfahren zur Fixierung eines Zustandes von Flüssigkeiten auf einer Kartusche eines Lab-on-Chip, welche eine Mehrzahl von Kammern zur Aufnahme der Flüssigkeiten aufweist, wobei die Kammern durch mikrofluidische Pfade miteinander verbunden sind und die Flüssigkeiten durch eine äußere Kraft über die fluidischen Pfad gezielt in die Kammern fließen, aufweisend zumindest folgende Schritte:

a) Vorlagern eines Stoffes in einer Vorlagerungskammer, welche mit den mikrofluidischen Pfaden verbunden ist, der Stoff durch einen Aktivierungsmechanismus gezielt zumindest von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand umwandelbar ist,
b) Steuern des Flusses des Stoffes im flüssigen Zustand von der Vorlagerungskammer in die mikrofluidischen Pfade,
c) Umwandeln des Stoffes, der sich in den mikrofluidischen Pfaden befindet, vom flüssigen Zustand in den festen Zustand, so dass die mikrofluidischen Pfade blockiert werden.

A method is described here for fixing a state of liquids on a cartridge of a lab-on-chip which has a plurality of chambers for receiving the liquids, the chambers being connected to one another by microfluidic paths and the liquids being connected to one another by an external force fluidic path to flow in a targeted manner into the chambers, having at least the following steps:

a) pre-storage of a substance in a pre-storage chamber, which is connected to the microfluidic paths, the substance can be specifically converted at least from a liquid state to a solid state by an activation mechanism,
b) controlling the flow of the substance in the liquid state from the pre-storage chamber into the microfluidic paths,
c) Converting the substance that is located in the microfluidic paths from the liquid state to the solid state, so that the microfluidic paths are blocked.

Besonders bevorzugt ist der in der Vorlagerungskammer gelagerte Stoff sowohl von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand als auch umgekehrt von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand umwandelbar. Der Aktivierungsmechanismus ist ein beliebiger Mechanismus, der zur Umwandlung des flüssigen Zustandes und des festen Zustandes ineinander aktiviert werden kann. Es können auch verschiedene Aktivierungsmechanismen vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein erster Aktivierungsmechanismus für die Umwandlung von flüssig nach fest und ein weiterer Aktivierungsmechanismus für die Umwandlung von fest nach flüssig vorgesehen sein.Particularly preferably, the substance stored in the preliminary storage chamber can be converted both from a liquid state into a solid state and, conversely, from a solid state into a liquid state. The activation mechanism is any mechanism that can be activated to convert the liquid state and the solid state into one another. Various activation mechanisms can also be provided. For example, a first activation mechanism for the conversion from liquid to solid and a further activation mechanism for the conversion from solid to liquid can be provided.

Das beschriebene Verfahren wird insbesondere für ein Lab-on-Chip-System verwendet, bei welchem die Kartusche mit einer Analyseeinheit verwendet werden kann, um beispielsweise die Analyse einer Blutprobe durchzuführen. Der in der Vorlagerungskammer gespeicherte Stoff ist nicht selbst die Probenflüssigkeit, sondern eine zusätzliche Flüssigkeit, die auf der Kartusche vorgelagert wird. Das beschriebene Verfahren wird beispielsweise dann ausgeführt, wenn eine Kartusche nach einer (teilweise) ausgeführten Probenanalyse in einen stabilen Zustand überführt werden soll, um die Analyse zu unterbrechen und gegebenenfalls später fortzuführen oder erneut durchzuführen.The method described is used in particular for a lab-on-chip system in which the cartridge can be used with an analysis unit in order, for example, to carry out the analysis of a blood sample. The substance stored in the pre-storage chamber is not itself the sample liquid, but an additional liquid that is pre-stored on the cartridge. The method described is carried out, for example, when a cartridge is to be brought into a stable state after a (partially) carried out sample analysis in order to interrupt the analysis and, if necessary, continue it later or carry it out again.

In üblichen Kartuschen ist es normalerweise nicht möglich eine Analyse zu unterbrechen durch die Art der fluidischen Prozessführung in der Kartusche. Die zu analysierende Probenflüssigkeit wird durch äußere Einflüsse, die von der Analyseeinheit auf die Kartusche ausgelöst werden, bewegt. Dies geschieht beispielsweise pneumatisch über pneumatische Kräfte, die über Pneumatikports auf Kammern und mikrofluidische Pfade in der Kartusche ausgeübt werden. Die Pneumatikports ermöglichen das Anlegen eines Unter- oder Überdrucks an Ventilen und Kammern, die dadurch ausgelenkt werden können, um so die Flüssigkeiten über die mikrofluidischen Pfade auf der Kartusche gezielt zu bewegen. Es sind auch andere Mechanismen des Flüssigkeitstransports möglich in derartigen Kartuschen möglich. Beispielsweise ist es möglich Flüssigkeiten über Beschleunigungen (insbesondere Zentrifugalbeschleunigungen) in der Kartusche zu bewegen. Auch hydraulisch angetriebene Mechanismen zum Flüssigkeitstransport sind möglich. Alle möglichen Varianten können in Kartuschen verwendet werden, mit denen auch das beschriebene Verfahren durchführbar ist. Wird die Kartusche wieder aus der Analyseeinheit entnommen, gleichen sich die Druckunterschiede wieder an den normalen Atmosphärendruck an. Die Flüssigkeiten in der Kartusche können sich aufgrund der Kapillarkräfte und der Schwerkraft ungezielt/ungesteuert im fluidischen System der Kartusche verteilen, so dass der Zustand der Flüssigkeiten verändert und damit ggf. auch beschädigt wird.In conventional cartridges, it is normally not possible to interrupt an analysis due to the type of fluidic process control in the cartridge. The sample liquid to be analyzed is moved by external influences that are triggered by the analysis unit on the cartridge. This is done, for example, pneumatically via pneumatic forces that are exerted on chambers and microfluidic paths in the cartridge via pneumatic ports. The pneumatic ports allow negative or positive pressure to be applied to valves and chambers, which can thereby be deflected in order to move the fluids in a targeted manner via the microfluidic paths on the cartridge. There are other mechanisms of the Liquid transport possible in such cartridges. For example, it is possible to move liquids in the cartridge using accelerations (in particular centrifugal accelerations). Hydraulically driven mechanisms for transporting liquids are also possible. All possible variants can be used in cartridges with which the method described can also be carried out. When the cartridge is removed from the analysis unit again, the pressure differences equalize again to normal atmospheric pressure. Due to the capillary forces and the force of gravity, the liquids in the cartridge can distribute themselves in an untargeted / uncontrolled manner in the fluidic system of the cartridge, so that the state of the liquids is changed and thus possibly also damaged.

Durch die in Schritt c) beschriebene Umwandlung des aus der Vorlagerungskammer bereitgestellten Stoffes vom flüssigen Zustand in den festen Zustand können gezielt an geeigneter Stelle innerhalb der Kartusche bzw. in deren mikrofluidischen Pfaden Blockaden für Probenflüssigkeiten erzeugt werden. Hierdurch kann beispielsweise eine feste Positionierung von Probenflüssigkeiten innerhalb der Kartusche erreicht werden.As a result of the conversion of the substance provided from the pre-storage chamber from the liquid state to the solid state, as described in step c), blockages for sample liquids can be generated in a targeted manner at a suitable point within the cartridge or in its microfluidic paths. In this way, for example, a fixed positioning of sample liquids can be achieved within the cartridge.

Das beschriebene Verfahren geht insbesondere davon aus, dass die fluidische Prozessierung zu einem zuvor festgelegten Zeitpunkt gestoppt werden soll. Beispielsweise soll der Zustand von Flüssigkeiten und insbesondere von Probenflüssigkeiten innerhalb der Kartusche exakt beibehalten werden.The method described assumes, in particular, that the fluidic processing is to be stopped at a previously defined point in time. For example, the state of liquids and in particular of sample liquids within the cartridge should be precisely maintained.

Der Zustand der Flüssigkeiten beschreibt sowohl den physikalischen Zustand als auch den chemischen Zustand. Der physikalische Zustand bezieht sich beispielweise auf die Position (d.h. wo befindet sich die zu betrachtende Flüssigkeit), auf die Menge der Flüssigkeit und auf die Anzahl von zu betrachtenden Partikeln in der Flüssigkeit. Der Begriff „Fixierung“ bezieht sich auf den physikalischen Zustand, der bei der Entnahme der Kartusche aus dem Analysator fixiert werden soll.The condition of the liquids describes both the physical condition and the chemical condition. The physical state relates, for example, to the position (i.e. where the liquid to be viewed is located), to the amount of the liquid and to the number of particles to be viewed in the liquid. The term “fixation” refers to the physical state that is to be fixed when the cartridge is removed from the analyzer.

Der chemische Zustand bezieht sich beispielweise auf die Reaktion der zu betrachtenden Partikel mit Reagenzpartikeln, so dass die Molekülstruktur der Partikel verändert werden kann. Der Begriff „Stabilisierung“ bezieht sich auf den chemischen Zustand, wobei die fluidische Prozessierung einerseits vor der Entnahme der Kartusche gestoppt und anderseits der chemische Zustand während der Entnahme der Kartusche stabilisiert werden soll.The chemical state relates, for example, to the reaction of the particles under consideration with reagent particles, so that the molecular structure of the particles can be changed. The term “stabilization” relates to the chemical state, whereby the fluidic processing is to be stopped on the one hand before the cartridge is removed and on the other hand the chemical state is to be stabilized during the removal of the cartridge.

Mit dem Begriff „Fixierung“ ist hier insbesondere auch eine chemische „Stabilisierung“ gemeint, wobei der Begriff „Stabilisierung“ hier beschreibt, dass die Flüssigkeiten in bzw. auf der Kartusche in einen stabilen Zustand gebracht werden.The term “fixation” here also means, in particular, chemical “stabilization”, the term “stabilization” here describing that the liquids in or on the cartridge are brought into a stable state.

Die Kammern auf bzw. in der Kartusche können Probekammern zur Aufnahme von Probeflüssigkeiten, Reagenzienkammern zur Aufbewahrung von Reagenzienflüssigkeiten und Reaktionskammern zur Analysierung der Probeflüssigkeiten aufweisen. Weiter gibt es üblicherweise noch eine Abfallkammer zum Entsorgen von Abfallflüssigkeit.The chambers on or in the cartridge can have sample chambers for receiving sample liquids, reagent chambers for storing reagent liquids and reaction chambers for analyzing the sample liquids. There is also usually a waste chamber for the disposal of waste liquid.

Die Kartusche umfasst in der Regel mindestens eine Probekammer zur Aufnahme einer Probeflüssigkeit, mindestens eine Reagenzienkammer zur Aufbewahrung einer Reagenzienflüssigkeit und mindestens eine Reaktionskammer zur Aufnahme der Probeflüssigkeit und ggf. der Reagenzienflüssigkeit, in der eine fluidische Prozessierung stattfindet. Dabei fließt die Probeflüssigkeit aus der mindestens einen Probekammer und ggf. die Reagenzienflüssigkeit aus der mindestens einen Reagenzienkammer mittels einer äußeren Kraft (d. h. Antriebskraft) über mikrofluidische Pfade in die Reaktionskammer. Die äußere Kraft wird üblicherweise von einer Analyseeinheit aufgebracht, in welche die Kartusche zur Durchführung einer Analyse eingesetzt wird.The cartridge usually comprises at least one sample chamber for receiving a sample liquid, at least one reagent chamber for storing a reagent liquid and at least one reaction chamber for receiving the sample liquid and possibly the reagent liquid, in which fluidic processing takes place. The sample liquid flows from the at least one sample chamber and possibly the reagent liquid from the at least one reagent chamber by means of an external force (i.e. driving force) via microfluidic paths into the reaction chamber. The external force is usually applied by an analysis unit into which the cartridge is inserted to carry out an analysis.

Bevorzugt sind alle Kammern durch mikrofluidische Pfade in Form von einem mikrofluidischen Netz miteinander verbunden. Somit können die Flüssigkeiten der unterschiedlichen Kammern durch eine äußere Kraft über das mikrofluidische Netz gezielt fließen. Insbesondere bilden die Kammern und die mikrofluidischen Pfade ein mikrofluidisches System.All chambers are preferably connected to one another by microfluidic paths in the form of a microfluidic network. In this way, the liquids in the different chambers can flow in a targeted manner through the microfluidic network due to an external force. In particular, the chambers and the microfluidic paths form a microfluidic system.

Die äußere Kraft wird in ihrer Größe und Richtung je nach unterschiedlichen Ausführungen angesteuert. Somit lässt sich ein angesteuerter Überdruck und/oder Unterdruck an einer Kammer bilden, und infolgedessen fließt die Flüssigkeit aus dieser Kammer gesteuert in eine Zielkammer. Zur Erzeugung der äußeren Kraft werden beispielweise pneumatische Module der Analyseeinheit eingesetzt, in welche die Kartusche eingesetzt ist. Wie weiter oben schon beschrieben können solche Kräfte auch auf andere Art- und Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Beschleunigungen und/oder hydraulisch.The external force is controlled in terms of its size and direction depending on the different designs. In this way, a controlled overpressure and / or underpressure can be created in a chamber, and as a result the liquid flows in a controlled manner from this chamber into a target chamber. For example, pneumatic modules of the analysis unit into which the cartridge is inserted are used to generate the external force. As already described above, such forces can also be generated in other ways, for example by accelerations and / or hydraulically.

Wenn sich die Kartusche in der Analyseeinheit befindet, können die Bewegungen der Flüssigkeit durch Ansteuerung der äußeren Kraft gesteuert werden. Somit wird der Zustand der Flüssigkeiten beibehalten. Allerdings wird die äußere Kraft ausgesetzt, wenn die Kartusche aus der Analyseeinheit herausgenommen wird, so dass die Bewegung der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft und Kapillarkraft außer Kontrolle gerät, wenn keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden. Demzufolge werden die Flüssigkeiten ungesteuert in dem mikrofluidischen System verteilt, so dass der Zustand der Flüssigkeit, insbesondere der Zustand der Flüssigkeit in der Reaktionskammer, gebrochen wird und infolgedessen eine weitere Betrachtung/Analyse der Flüssigkeiten nicht mehr möglich ist.When the cartridge is in the analysis unit, the movements of the liquid can be controlled by activating the external force. The state of the liquids is thus maintained. However, the external force is exposed when the cartridge is removed from the analysis unit, so that the movement of the liquid due to gravity and capillary force gets out of control if no suitable measures are taken. As a result, the liquids are distributed in the microfluidic system in an uncontrolled manner, so that the state of the liquid, in particular the state of the liquid in the reaction chamber, is broken and consequently a further observation / analysis of the liquids is no longer possible.

Weil die Flüssigkeiten in den unterschiedlichen Kammern nur durch die mikrofluidischen Pfade ineinander fließen, ist es möglich, die mikrofluidischen Pfade mit Schritt c) des beschriebenen Verfahrens zu sperren/blockieren und so eine Veränderung des chemischen Zustandes zu verhindern, welche auftreten würde, wenn sich Flüssigkeiten aus unterschiedlichen Kammern der Kartusche (erneut) mischen. Somit werden die Flüssigkeiten durch eine räumliche Fixierung mittels Schritt c) auch in ihrem chemischen Zustand stabilisiert.Because the liquids in the different chambers only flow into one another through the microfluidic paths, it is possible to block / block the microfluidic paths with step c) of the method described and thus prevent a change in the chemical state that would occur if liquids were to meet Mix (again) from different chambers of the cartridge. Thus, the liquids are also stabilized in their chemical state by spatial fixation by means of step c).

Um die mikrofluidischen Pfade sperren bzw. blockieren zu können, wird in Schritt a) ein Stoff in einer Vorlagerungskammer vorgelagert. Dieser Stoff ist beispielweise eine gelierende Flüssigkeit, die gezielt an die gewünschten fluidischen Pfade transportiert und an dieser Stelle zur Gelierung gebracht werden kann. Die Umwandlung des flüssigen und des festen Zustands des Stoffs folgt durch thermische, photochemische-, physikalische oder chemische Prozesse.In order to be able to block or block the microfluidic paths, a substance is stored in a preliminary storage chamber in step a). This substance is, for example, a gelling liquid that is specifically transported to the desired fluidic paths and can be made to gel at this point. The transformation of the liquid and the solid state of the substance follows through thermal, photochemical, physical or chemical processes.

Die Vorlagerungskammer ist vorzugsweise in der Kartusche intergiert, aber es ist auch denkbar, dass die Vorlagerungskammer in der Analyseeinheit eingerichtet ist. Wichtig ist, dass die Vorlagerungskammer mit dem mikrofluidischen Netz der Kartusche verbunden ist, damit der Stoff im flüssigen Zustand in die mikrofluidischen Pfade fließen kann. Eine auf der Kartusche vorgesehene Vorlagerungskammer kann schon vorab (bevor eine Analyse beginnt) mit dem Stoff befüllt sein. Bevorzugt werden Kartuschen mit Vorlagerungskammer, die mit dem Stoff befüllt ist, bereitgehalten, um kurzfristig mit der beschriebenen Kartusche und der zugehörigen Analyseeinheit gewünschte Analysen durchführen zu können.The pre-storage chamber is preferably integrated in the cartridge, but it is also conceivable that the pre-storage chamber is set up in the analysis unit. It is important that the storage chamber is connected to the microfluidic network of the cartridge so that the substance can flow into the microfluidic paths in the liquid state. A storage chamber provided on the cartridge can be filled with the substance beforehand (before an analysis begins). Cartridges with a storage chamber filled with the substance are preferably kept ready in order to be able to carry out the desired analyzes with the described cartridge and the associated analysis unit at short notice.

In Schritt b) wird der Stoff im flüssigen Zustand derart gesteuert, dass der Stoff von der Vorlagerungskammer in die gewünschten mikrofluidischen Pfade fließt. Dabei kann die Bewegung des Stoffs im flüssigen Zustand ebenfalls durch die weiter oben beschriebene äußere Kraft gesteuert werden.In step b) the substance is controlled in the liquid state in such a way that the substance flows from the pre-storage chamber into the desired microfluidic paths. The movement of the substance in the liquid state can also be controlled by the external force described above.

In Ausführungsvarianten wird der Stoff in der Vorlagerungskammer im festen Zustand gelagert. Dann ist es erforderlich, dass der Stoff vom festen in den flüssigen Zustand zwischen Schritt a) und Schritt b) umgewandelt wird. Eine solche Umwandlung kann insbesondere mit thermischen Aktivierungsmechanismen durchgeführt werden. Dabei ist der Stoff insbesondere ein sich thermisch verflüssigender bzw. verfestigender Stoff.
Sobald der Stoff im flüssigen Zustand an die Zielstelle gelangt, wird der Stoff in Schritt c) vom flüssigen Zustand in den festen Zustand umgewandelt, sodass die fluidischen Pfade durch Festkörper gesperrt/blockiert werden. Somit kann ein Zustand hergestellt werden, der beispielsweise für die Entnahme der Kartusche aus der Analyseeinheit zur Betrachtung des Zustands der Flüssigkeiten auf der Kartusche besonders vorteilhaft ist. Dies ist beispielsweise zur Betrachtung der Kartusche unter einem Mikroskop (z. B. zum Zählen von (immobilisierten/fixierten) Zellen in einer Probe besonders vorteilhaft).In various versions, the substance is stored in the pre-storage chamber in the solid state. It is then necessary for the substance to be converted from the solid to the liquid state between step a) and step b). Such a conversion can in particular be carried out with thermal activation mechanisms. The substance is in particular a thermally liquefied or solidified substance.
As soon as the substance reaches the target point in the liquid state, the substance is converted from the liquid state to the solid state in step c), so that the fluidic paths are blocked / blocked by solids. A state can thus be established which is particularly advantageous, for example, for removing the cartridge from the analysis unit for viewing the state of the liquids on the cartridge. This is particularly advantageous, for example, for viewing the cartridge under a microscope (e.g. for counting (immobilized / fixed) cells in a sample).

Besonders bevorzugt ist, wenn der mindestens eine Aktivierungsmechanismus einen thermischen Mechanismus umfasst.It is particularly preferred if the at least one activation mechanism comprises a thermal mechanism.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) ein sich thermisch verflüssigender bzw. verfestigender Stoff in der Vorlagerungskammer vorgelagert.In a preferred embodiment, a thermally liquefying or solidifying substance is stored in the preliminary storage chamber in step a).

Weiter vorteilhaft ist, wenn nach Schritt a) und vor Schritt b) der thermische Mechanismus durch ein Heizelement ausgelöst wird.It is also advantageous if, after step a) and before step b), the thermal mechanism is triggered by a heating element.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach Schritt a) vor Schritt b) der sich thermisch verflüssigende bzw. verfestigende Stoff durch ein Heizelement erwärmt wird.It is particularly advantageous if after step a) before step b) the thermally liquefied or solidified substance is heated by a heating element.

Besonders bevorzugt kann Agar, Agarose oder Gelatine als der sich thermisch verflüssigende bzw. verfestigende Stoff verwendet werden. Zum Beispiel wird eine Agarose mit niedriger Schmelztemperatur (z. B. Sigma A9414 oder Biozym 850080 schmilzt bei 65 °C und geliert bei 35-36 °C) in einer Position auf der Kartusche oberhalb eines Heizelements vorgelagert. Soll nun ein Zustand der Flüssigkeiten fixiert werden, wird die vorgelagerte Agarose auf ihre Schmelztemperatur erwärmt und mikrofluidisch an die Stellen transportiert, die für die gewünschte Fixierung sinnvoll sind. Dort kommt es zum Erkalten und somit zur Verfestigung der Agarose, was die fluidischen Pfade bzw. Kammern und Ventile blockiert und damit verschließt.Agar, agarose or gelatin can particularly preferably be used as the thermally liquefied or solidified substance. For example, an agarose with a low melting temperature (e.g. Sigma A9414 or Biozym 850080 melts at 65 ° C and gels at 35-36 ° C) in a position on the cartridge above a heating element. If a state of the liquids is to be fixed, the upstream agarose is heated to its melting temperature and microfluidically transported to the places that make sense for the desired fixation. There, the agarose cools and thus solidifies, which blocks the fluidic paths or chambers and valves and thus closes them.

Außerdem vorteilhaft ist, wenn der mindestens eine Aktivierungsmechanismus einen chemischen Mechanismus umfasst, der durch einen Reaktionsstoff ausgelöst werden kann.It is also advantageous if the at least one activation mechanism comprises a chemical mechanism that can be triggered by a reaction substance.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) ein sich chemisch verfestigender Stoff in der Vorlagerungskammer vorgelagert. In a particularly preferred embodiment, a chemically solidifying substance is stored upstream in the preliminary storage chamber in step a).

Außerdem bevorzugt ist, wenn vor Schritt c) die mikrofluidischen Pfade mit dem Reaktionsstoff vorbenetzt werden, so dass der Stoff verfestigt wird, wenn der Stoff in die vorbenetzten mikrofluidischen Pfade fließt.It is also preferred if, before step c), the microfluidic paths are prewetted with the reaction substance, so that the substance is solidified when the substance flows into the prewetted microfluidic paths.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Schritt c) ein Reaktionsstoff die mikrofluidischen Pfade vorbenetzt, so dass der sich chemisch verfestigende Stoff verfestigt wird, wenn der sich chemisch verfestigende Stoff in die vorbenetzten mikrofluidischen Pfade fließt. Die chemisch verfestigenden Stoffe können sich durch chemische Reaktionen lokal verfestigen. Sie sind beispielweise organische Polysaccharide wie Alginsäuren (auch Alginat oder Algin), Natriumalginat, Kalziumalginat, Pektinat oder Cellulosederivate. Hier werden beispielsweise eine Alginsäure (z. B. 1-3% Natriumalginat) und eine Lösung divalenter Kationen (z.B. Kalziumionen Ca2+ oder Bariumionen Ba2+) jeweils in einer Vorlagerungskammer auf der Kartusche vorgelagert. Zum Zeitpunkt der gewünschten fluidischen Fixierung werden die mikrofluidischen Pfade gezielt an den Stellen mit der Kationenlösung vorbenetzt, die für die fluidische Fixierung notwendig sind. Die Alginsäure wird nun zügig an dieselben Stellen bewegt, wo diese geliert und die befüllten fluidischen Pfade, Kammern und Ventile verschließt.It is particularly advantageous if in step c) a reaction substance pre-wets the microfluidic paths so that the chemically solidifying substance is solidified when the chemically solidifying substance flows into the pre-wetted microfluidic paths. The chemically solidifying substances can solidify locally through chemical reactions. They are, for example, organic polysaccharides such as alginic acids (also alginate or algin), sodium alginate, calcium alginate, pectinate or cellulose derivatives. Here, for example, an alginic acid (e.g. 1-3% sodium alginate) and a solution of divalent cations (e.g. calcium ions Ca2 + or barium ions Ba2 +) are each stored in a pre-storage chamber on the cartridge. At the time of the desired fluidic fixation, the microfluidic paths are specifically pre-wetted with the cation solution at the points that are necessary for the fluidic fixation. The alginic acid is now quickly moved to the same places where it gels and closes the filled fluidic paths, chambers and valves.

Außerdem vorteilhaft ist, wenn der mindestens eine Aktivierungsmechanismus einen photochemischen Mechanismus umfasst.It is also advantageous if the at least one activation mechanism comprises a photochemical mechanism.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt a) ein sich photochemisch verfestigender Stoff in der Vorlagerungskammer vorgelagert.In a further preferred embodiment, a photochemically solidifying substance is stored in the preliminary storage chamber in step a).

Besonders bevorzugt ist, wenn der photochemische Mechanismus durch ultraviolette Strahlung aktiviert werden kann.It is particularly preferred if the photochemical mechanism can be activated by ultraviolet radiation.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Schritt c) der sich photochemisch verfestigende Stoff durch ultraviolette Strahlung verfestigt wird.It is particularly advantageous if the photochemically solidifying substance is solidified by ultraviolet radiation in step c).

Die sich photochemisch verfestigenden Stoffe sind polare Polymere, beispielsweise Polyacrylamid oder Polyvinylalkohol. Auch Präkursore von Sol-Gel-Prozessen, wie Tetramethylorthosilicat oder Tetraethylorthosilicat können verwendet werden.The photochemically solidifying substances are polar polymers, for example polyacrylamide or polyvinyl alcohol. Precursors of sol-gel processes, such as tetramethyl orthosilicate or tetraethyl orthosilicate, can also be used.

Hier werden beispielweise ein polares Polymer (z. B. Polyvinylalkohol) und ein Photoinitiator (z.B. Darocure 1173, Irgacure 819/2959) auf der Kartusche vorgelagert. Diese Lösung kann mikrofluidisch ebenfalls an die gewünschten Stellen transportiert werden. Durch ultraviolette Strahlung kann die Verfestigung des Hydrogels initiiert werden, wodurch die befüllten Pfade, Kammern und Ventile verschlossen werden.Here, for example, a polar polymer (e.g. polyvinyl alcohol) and a photoinitiator (e.g. Darocure 1173, Irgacure 819/2959) are stored in front of the cartridge. This solution can also be transported microfluidically to the desired locations. The solidification of the hydrogel can be initiated by ultraviolet radiation, whereby the filled paths, chambers and valves are closed.

Hier auch beschrieben wird eine Kartusche eines Lab-on-Chip aufweisend mindestens eine Vorlagerungskammer in welcher ein Stoff gelagert ist, der durch einen durch mindestens einen Aktivierungsmechanismus gezielt von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand umgewandelt werden kann und mindestens eine Aktivierungseinrichtung zur Umwandlung des flüssigen Zustandes in den festen Zustand, wobei die Vorlagerungskammer mit mikrofluidischen Pfaden der Kartusche verbunden ist, so dass der Stoff im flüssigen Zustand in die mikrofluidischen Pfade fließen und dort von dem flüssigen in den festen Zustand umgewandelt werden kann.Also described here is a cartridge of a lab-on-chip having at least one pre-storage chamber in which a substance is stored that can be converted from a liquid state into a solid state by means of at least one activation mechanism and at least one activation device for converting the liquid State into the solid state, wherein the pre-storage chamber is connected to microfluidic paths of the cartridge, so that the substance in the liquid state can flow into the microfluidic paths and can be converted from the liquid into the solid state there.

Vorteilhaft ist es, wenn der Stoff ein sich thermisch verflüssigender bzw. verfestigender Stoff und die Aktivierungseinrichtung ein Heizelement ist.It is advantageous if the substance is a thermally liquefied or solidified substance and the activation device is a heating element.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stoff ein sich chemisch verfestigender Stoff und die Aktivierungseinrichtung einen Reaktionsstoff aufweist, der die mikrofluidischen Pfade vorbenetzt.It is particularly advantageous if the substance has a chemically solidifying substance and the activation device has a reaction substance which pre-wets the microfluidic paths.

Außerdem vorteilhaft ist es, wenn der Stoff ein sich photochemisch verfestigender Stoff und die Aktivierungseinrichtung zur Erzeugung von ultravioletten Strahlungen vorgesehen ist.It is also advantageous if the substance is a photochemically solidifying substance and the activation device is provided for generating ultraviolet radiation.

Das Verfahren und die Vorrichtung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, wobei hierbei bevorzugte Ausführungsbeispiele gezeigt werden. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Ausgangssituation des beschriebenen Verfahrens in einer Kartusche,
2: eine schematische Darstellung des Transportes der Probeflüssigkeit,
3: eine schematische Darstellung der Zugabe von Reagenzienflüssigkeiten ,
4: eine schematische Darstellung der Blockierung der fluidischen Pfade vor Entnahme der Kartusche,
5: eine schematische Darstellung des Verhaltens der Flüssigkeiten ohne Blockierung der fluidischen Pfade vor Entnahme der Kartusche.

The method and the device are explained in more detail below with reference to the figures, with preferred exemplary embodiments being shown. Show it:

1 : a schematic representation of an initial situation of the described method in a cartridge,
2 : a schematic representation of the transport of the sample liquid,
3 : a schematic representation of the addition of reagent liquids,
4th : a schematic representation of the blocking of the fluidic paths before removing the cartridge,
5 : a schematic representation of the behavior of the liquids without blocking the fluidic paths before removing the cartridge.

1 zeigt eine schematische Darstellung der Ausgangssituation des beschriebenen Verfahrens. Die hier beispielhaft dargestellte Kartusche 11 weist drei Reagenzienkammern 2 jeweils mit einer Reagenzienflüssigkeit 8, eine Probekammer 1 mit einer Probeflüssigkeit 6, eine Reaktionskammer 4, eine Recyclingkammer 5 und eine Vorlagerungskammer 3 mit Agarose 7 auf. Alle Kammern 1,2,3,4,5 sind durch mikrofluidische Pfade 12 in Form von einem mikrofluidischen Netz miteinander verbunden. Durch Ausübung einer äußeren Kraft fließen die Flüssigkeiten 6,8 und Agarose 7 im flüssigen Zustand gezielt über die mikrofluidischen Pfade 12 an die gewünschten Stellen. 1 shows a schematic representation of the initial situation of the method described. The cartridge shown here as an example 11 has three reagent chambers 2 each with a reagent liquid 8th , a sample chamber 1 with a sample liquid 6th , a reaction chamber 4th , a recycling chamber 5 and a storage chamber 3 with agarose 7th on. All chambers 1,2,3,4,5 are through microfluidic paths 12th connected to one another in the form of a microfluidic network. When an external force is exerted, the liquids 6,8 and agarose flow 7th in the liquid state specifically via the microfluidic paths 12th to the desired places.

2 zeigt eine schematische Darstellung des Transports der Probeflüssigkeit 6 in bzw. auf der beschriebenen Kartusche 11. Damit die Probeflüssigkeit 6 von der Probekammer 1 in die Reaktionskammer 4 fließt, werden ein Überdruck an der Probekammer 1 und/oder ein Unterdruck an der Reaktionskammer 4 angelegt, somit bildet sich eine Druckdifferenz, welche bewirkt, dass die Probeflüssigkeit 6 vom Überdruck in der Richtung zum Unterdruck (d. h. von der Probekammer 1 in die Reaktionskammer 4) über die mikrofluidischen Pfade 12 fließt. Gleichfalls fließt die Abfallflüssigkeit 9 von der Reaktionskammer 4 in die Abfallkammer 5, wenn ein Überdruck an der Probekammer 4 und/oder ein Unterdruck an der Abfallkammer 5 angelegt werden 2 shows a schematic representation of the transport of the sample liquid 6th in or on the cartridge described 11 . So that the sample liquid 6th from the sample chamber 1 into the reaction chamber 4th flows, there will be an overpressure on the sample chamber 1 and / or a negative pressure in the reaction chamber 4th applied, thus forming a pressure difference, which causes the sample liquid 6th from positive pressure in the direction to negative pressure (i.e. from the sample chamber 1 into the reaction chamber 4th ) via the microfluidic paths 12th flows. The waste liquid also flows 9 from the reaction chamber 4th in the waste chamber 5 when there is overpressure in the sample chamber 4th and / or a negative pressure on the waste chamber 5 be created

3 zeigt eine schematische Darstellung der Zugabe einer Reagenzienflüssigkeit 8 von einer Reagenzienkammer 2. Es stehen drei Reagenzienflüssigkeiten 8 für unterschiedliche Analysen zur Verfügung, die jeweils in drei Reagenzienkammern 2 enthalten sind. Auf die gleiche Weise wird an der gewünschten Reagenzienkammer 2 ein gegenüber der Probekamme 4 höherer Druck angelegt, sodass die gewünschte Reagenzienflüssigkeit 8 in die Reaktionskammer 4 fließt. In der Probekammer 4 findet eine Reaktion der Probeflüssigkeit 6 mit der Reagenzienflüssigkeit 8 statt. Nach der fluidischen Prozessierung fließt die Abfallflüssigkeit 9 auf gleiche Weise wie oben beschrieben in die Recyclingkammer 5. 3 shows a schematic representation of the addition of a reagent liquid 8th from a reagent chamber 2 . There are three reagent liquids 8th available for different analyzes, each in three reagent chambers 2 are included. The same way is done on the desired reagent compartment 2 one across from the trial comb 4th higher pressure applied so that the desired reagent liquid 8th into the reaction chamber 4th flows. In the rehearsal chamber 4th finds a reaction in the sample liquid 6th with the reagent liquid 8th instead of. After the fluidic processing, the waste liquid flows 9 into the recycling chamber in the same way as described above 5 .

4 zeigt eine schematische Darstellung der Blockierung der fluidischen Pfade 12 vor Entnahme der Kartusche 11. Die Agarose 7 wird in der Vorlagerungskammer 3 durch das Heizelement 10 auf 65°C erwärmt, sodass die Agarose verflüssigt wird. Durch Anlegen eines Überdrucks an der Vorlagerungskammer 3 und/oder eines Unterdrucks an den Zielstellen 13 fließt die verflüssigte Agarose gezielt durch die fluidischen Pfade 12 an die Zielstellen 13. An den Zielstellen 13 werden dann Blockaden 14 ausgebildet. Dies erfolgt bevorzugt ebenfalls thermisch in dem hier eine Abkühlung auftritt, die eine Verfestigung der Agarose bewirkt. Hier schematisch angedeutet sind auch Ausführungsvarianten in denen ein Aktivierungsmittel 15 verwendet wird, welches beispielsweise chemisch oder photochemisch ausgelöst werden kann. Das Aktivierungsmittel 15 kann beispielsweise eine Quelle für ultraviolettes Licht sein mit welcher die fluidischen Pfade 12 und insbesondere die Zielstellen 13 mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden kann, um eine photochemische Aktivierung durchzuführen. Eine chemische oder photochemische Aktivierung eignet sich insbesondere, wenn die Agarose 7 flüssig ist, um die Agarose 7 zur Ausbildung von Blockaden 14 zu verfestigen. 4th shows a schematic representation of the blocking of the fluidic paths 12th before removing the cartridge 11 . The agarose 7th is in the storage chamber 3 through the heating element 10 heated to 65 ° C, so that the agarose is liquefied. By applying positive pressure to the preliminary storage chamber 3 and / or a negative pressure at the target sites 13th the liquefied agarose flows specifically through the fluidic paths 12th to the target places 13th . At the target points 13th then become blockages 14th educated. This is preferably also done thermally in that cooling occurs here, which causes the agarose to solidify. Variants in which an activating agent is used are also indicated schematically here 15th is used, which can be triggered chemically or photochemically, for example. The activating agent 15th can for example be a source of ultraviolet light with which the fluidic paths 12th and especially the target locations 13th can be irradiated with ultraviolet light to perform photochemical activation. A chemical or photochemical activation is particularly suitable when the agarose 7th is liquid to the agarose 7th for the formation of blockages 14th to solidify.

5 zeigt eine schematische Darstellung des Verhaltens der Flüssigkeiten 6,7 ohne Blockierung der fluidischen Pfade 12 vor Entnahme der Kartusche 11. 5 zeigt den Endzustand der in 1-4 dargestellten fluidischen Prozessierung ohne die abschließende Blockierung. Bei der Entnahme der Kartusche 11 bewegen sich die Flüssigkeiten 6,7 gravitations- und/oder kapillargetrieben unvorhersehbar im mikrofluidischen Netz. Die Flüssigkeit in der Reaktionskammer 4 kann nicht oder nur mit starken Unsicherheiten analysiert und bewertet werden. Durch den händischen Eingriff und den undefinierten Zustand im fluidischen System der Kartusche ist die Analyse zudem nicht reproduzierbar. 5 shows a schematic representation of the behavior of the liquids 6, 7 without blocking the fluidic paths 12th before removing the cartridge 11 . 5 shows the final state of the in 1-4 illustrated fluidic processing without the final blocking. When removing the cartridge 11 the liquids 6,7 move unpredictably in the microfluidic network driven by gravity and / or capillary action. The liquid in the reaction chamber 4th cannot be analyzed and evaluated, or only with great uncertainty. Due to the manual intervention and the undefined state in the fluidic system of the cartridge, the analysis is also not reproducible.

Claims

Method for fixing a state of liquids (6,8,9) on a cartridge (11) of a lab-on-chip, which has a plurality of chambers (1,2,4,5) for receiving the liquids (6,8, 9), the chambers (1, 2, 4, 5) being connected to one another by microfluidic paths (12) and the liquids (6, 8, 9) being targeted by an external force via the fluidic paths (12) into the chambers (1,2,4,5) flow, having at least the following steps: a) pre-storage of a substance (7) in a pre-storage chamber (3) which is connected to the microfluidic paths (12), the substance (7) can be specifically converted at least from a liquid state to a solid state by an activation mechanism, b) controlling the flow of the substance (7) in the liquid state from the pre-storage chamber (3) into the microfluidic paths (12), c) converting the substance (7) which is located in the microfluidic paths (12) from the liquid state to the solid state, so that the microfluidic paths (12) are blocked.

Procedure according to Claim 1 wherein the at least one activation mechanism comprises a thermal mechanism.

Procedure according to Claim 2 , wherein after step a) and before step b) the thermal mechanism is triggered by a heating element (10).

Method according to one of the preceding Claims 1 wherein the at least one activation mechanism comprises a chemical mechanism that can be triggered by a reactant.

Procedure according to Claim 4 , wherein before step c) the microfluidic paths (12) are prewetted with the reaction substance, so that the substance is solidified when the substance flows into the prewetted microfluidic paths.

Procedure according to Claim 1 wherein the at least one activation mechanism comprises a photochemical mechanism.

Procedure according to Claim 6 , wherein in step c) the photochemical mechanism can be activated by ultraviolet radiation.

Cartridge (11) of a lab-on-chip having at least one pre-storage chamber (3) in which a substance (7) is stored which can be converted from a liquid state into a solid state by means of at least one activation mechanism and at least one activation device (10) for converting the liquid state into the solid state, the pre-storage chamber (3) being connected to microfluidic paths (12) of the cartridge (11), so that the substance (7) in the liquid state in the microfluidic paths (11) flow and can be converted from the liquid to the solid state there.

Cartridge (11) Claim 8 wherein the substance (7) can be solidified by a thermal activation mechanism and the activation device (10) comprises a heating element.

Cartridge (11) Claim 8 wherein the substance (7) can be solidified by a chemical activation mechanism and the activation device (10) comprises a reaction substance with which microfluidic paths (12) are pre-wetted.

Device according to Claim 8 wherein the substance (7) can be solidified by a photochemical activation mechanism and the activation device (10) is set up to generate ultraviolet radiation.