DE102020207628B4

DE102020207628B4 - Leiten eines flüssigkeitsflusses auf eine aktive festphase

Info

Publication number: DE102020207628B4
Application number: DE102020207628.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Kainz; Nils Paust; Susanna Früh
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2040-06-20
Also published as: WO2021254809A1; DE102020207628A1

Abstract

Verfahren zum Leiten eines Flüssigkeitsflusses auf eine aktive Festphase (30, 105), mit folgenden Merkmalen:Drehen eines Fluidikmoduls (10, 210), um eine Flüssigkeit (22) zentrifugal durch einen Verbindungskanal (16, 103) aus einem ersten Fluidbereich (12) in einen zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) zu treiben,wobei dabei Sekundärfluid durch einen Zuflusskanal (18, 38, 47) in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt und Sekundärfluid durch einen Abflusskanal (20, 40, 49, 64) aus dem zweiten Fluidbereich abfließt (14, 54, 104), undwobei das Drehen mit einer solchen Drehfrequenz durchgeführt wird, dass ein Zustand erreicht wird, bei dem eine Flussrate eines Flusses der Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) durch eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Zuflusskanal (18, 38, 47) in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt, und/oder eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Abflusskanal (20, 40, 49, 64) aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) abfließt, begrenzt ist,wobei die aktive Festphase (30, 105) in dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) oder dem Verbindungskanal (16, 103) angeordnet ist und wobei die aktive Festphase (30, 105) durch den Fluss der Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) von der Flüssigkeit (22) durchströmt oder überströmt wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit Verfahren und Vorrichtungen zum Leiten eines Flüssigkeitsflusses auf, durch und/oder über eine aktive Festphase, und insbesondere auf entsprechende Verfahren und Vorrichtungen auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik unter Verwendung der Zentrifugalkraft.
Hintergrund
Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich. In der zentrifugalen Mikrofluidik werden mikrofluidische Systeme in rotierenden Systemen betrieben, um Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können nahezu alle Standardlaborprozesse in das System, das ein Fluidikmodul, meist in der Form einer Polymer-Einwegkartusche, aufweist, implementiert werden.
Zur Fluidführung beinhalten die Fluidikmodule bzw. Kartuschen Kanäle und Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Durch eine vordefinierte Abfolge von Drehfrequenzen können die Flüssigkeiten mit Hilfe der Zentrifugalkraft gezielt durch die Kartusche bewegt werden. Hauptanwendungsgebiet der zentrifugalen Mikrofluidik ist die Laboranalytik sowie die mobile Diagnostik.
Ein weiterer sehr verbreiteter Schnelltest in der mobilen Diagnostik ist der sogenannte Lateral-Flow-Test, wie beispielsweise ein Schwangerschaftsteststreifen, bei dem ein lateraler Fluss durch ein poröses Material bewirkt wird. Solche Teststreifen sind kostengünstige Schnelltests zum Nachweis von Analyten in Analysenproben, die eine poröse Festphase für Oberflächenanbindungsreaktionen nutzen. Dabei bestimmen die Eigenschaften des porösen Mediums den Fluss durch den Teststreifen. Insbesondere für Teststreifen ist die schwankende Viskosität von biologischen Proben (Plasma: 1,1 bis 1,3 mPa·s, Speichel: 1,5 - 28 mPa·s) eine generelle Herausforderung, da mit steigender Viskosität die Flussrate durch den Teststreifen geringer wird. Da dies zu probenabhängigen Inkubationszeiten führt, kann mit Lateral-Flow-Tests nicht immer eine exakte Konzentration des Analyten bestimmt werden.
Für hoch sensitive und quantitative Lateral-Flow-Tests wären probenunabhängige, gleichbleibende Flussraten im Teststreifen wünschenswert. Ein proben unabhängiger Durchfluss würde deutliche Vorteile mit sich bringen, ist jedoch nach aktuellem Stand der Technik und Expertenaussagen bislang nicht möglich.
Stand der Technik
Es sind Verfahren bekannt, um die Flussrate im zentrifugalen Schwerefeld zu steuern und/oder die Flussrate unabhängig von der Probenviskosität einzustellen.
Generell ist es bekannt, eine Flussratenkontrolle im zentrifugalen Feld durch eine entsprechende Einstellung der Kanaldimensionen zu erreichen. Aus der US 7 189 368 B2 ist eine allgemeine Flusssteuerung im zentrifugalen Schwerefeld beschrieben. Dabei wird über ein Einstellen der Drehfrequenz eine Antriebskraft (Zentrifugalkraft) skaliert, die Flüssigkeiten mit der daraus resultierenden Flussrate durch Kanäle bewegt. Bei gleicher Antriebskraft wird der Fluss durch die radiale Position des Kanals und/oder durch die Gestaltung, die Dimensionen, des Kanals kontrolliert. Aus der DE 10 2018 212 930 B3 ist es bekannt, die Kanaldimensionen derart einzustellen, dass ein vollständiger Flüssigkeitstransfer durch ein nachgeschaltetes poröses Medium unter Zentrifugation ermöglicht wird.
In der WO 2013/024030 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Flussrate durch das definierte Hinzufügen von oberflächenaktiven Stoffen und/oder viskositätserhöhenden Stoffen zu einer Probe, deren Fluss gesteuert werden soll, kontrolliert wird. Durch gezielte Hinzugabe der Additive zur Probe und die Gestaltung der mikrofluidischen Strukturen können so definierte Flussraten in einer mikrofluidischen Kartusche erzielt werden. Als Antriebskraft dient dabei die Kapillarkraft.
Ferner ist es in der Mikrofluidik bekannt, Flüssigkeiten mit Hilfe von Spritzenpumpen durch ein System zu bewegen. Dabei können Flussraten präzise eingestellt werden, so dass die resultierenden Flussraten nahezu unabhängig von der Probenviskosität sind. Aus der CA 2 941 823 A1 ist es bekannt, einen mikrofluidischen Regler in ein zentrifugales System zu integrieren, um Flüssigkeiten gezielt zu bewegen. Dabei ist der Regler über Schläuche mit dem fluidischen System verbunden. Der Regler leitet kompressible Fluide in die mikrofluidischen Strukturen, wobei die dadurch entstehenden pneumatischen Drücke Flüssigkeiten gezielt transferieren können.
In der DE 10 2016 207 845 A1 sind Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, die eine fluid-dynamische Steuerung eines Flüssigkeitsflusses von einer Einlasskammer durch einen Verbindungskanal in eine Auslasskammer ermöglichen. Damit wird ein Ventil geschaffen, das gezielt Flüssigkeiten zurückhalten und freisetzen kann. Dem beim Freisetzen induzierten Fluss von der Einlasskammer in die Auslasskammer kann ein Gegendruck temporär entgegenwirken, der somit zeitweise die Flussrate mitbestimmt.
Aus der DE 10 2017 204 002 A1 ist ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeit bekannt, bei dem ein Flüssigkeits-Haltebereich über mindestens zwei Fluidpfade mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen verbunden ist, von denen zumindest einer einen Siphonkanal aufweist.
Aus der DE 10 2009 050 979 A1 ist eine Vorrichtung zum Steuern eines Fluidflusses bekannt, bei der ein Entlüftungskanal einer Fluidkammer mittels einer zentrifugal angetriebenen Flüssigkeit verschlossen werden kann, so dass Flüssigkeit in die Fluidkammer fließt, wenn der Entlüftungskanal nicht verschlossen ist, und in eine zweite Fluidkammer gelangt, wenn der Entlüftungskanal verschlossen ist.
Aus der DE 10 2013 203 293 A1 ist eine Vorrichtung zum Leiten einer Flüssigkeit durch einen ersten oder einen zweiten Auslasskanal bekannt, wobei aufgrund unterschiedlicher geometrischer Auslegungen der Auslasskanäle bei einer Ausdehnung eines Gases mit unterschiedlichen Ausdehnungsraten ein Fluss durch einen der beiden Auslasskanäle stattfindet.
Überblick
Die Erfinder haben erkannt, dass bekannte Verfahren zur Flusskontrolle bzw. Flusssteuerung in einer mikrofluidischen Kartusche unter anderem folgende Nachteile aufweisen.
Wird die Flussrate über die Gestaltung, d.h. die Abmessungen des Kanals, durch den der Fluss stattfindet, kontrolliert, ist die Flussrate abhängig von der Viskosität der Probe. Eine probenunabhängige Flussrate kann damit nicht realisiert werden. Des Weiteren können Gase aus Flüssigkeiten ausgasen oder Flüssigkeiten mit geringem Dampfdruck in die Gasphase übergehen und so den Widerstand des Kanals und damit auch die Flussrate durch den Kanal wesentlich beeinflussen. Wird die Flussrate über eine Anpassung der Drehfrequenz eingestellt, muss die Viskosität der Probe bekannt sein. Dies benötigt einen zusätzlichen Arbeitsschritt und ist bei sehr kleinen Probenvolumina nicht bis kaum möglich. Wird die Flussrate über eine Hinzugabe von oberflächenaktiven Stoffen und/oder viskositätserhöhenden Stoffen kontrolliert, kann es zu unspezifischen Nebenreaktionen der biologischen Komponenten mit dem Stoff kommen. Des Weiteren müssen in einem automatisierten System weitere Reagenzien zur Viskositätsabstimmung vorgelagert werden. Darüber hinaus wird beispielsweise mit einer Verdünnung der Probe mit einer Flüssigkeit bekannter Viskosität, die Analytkonzentration in der Probe verdünnt, was sich wiederum negativ auf die Sensitivität des Assays auswirken kann. Ebenso muss die Viskosität der Probe bekannt sein, um eine definierte Viskosität einzustellen.
Die der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, die es ermöglichen, einen Fluss einer Flüssigkeit auf und durch und/oder über eine aktive Festphase mit reduziertem Aufwand und reduzierter Abhängigkeit von einer Viskosität der Flüssigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 17 gelöst.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen Verfahren zum Leiten eines Flüssigkeitsflusses auf eine aktive Festphase, mit folgenden Merkmalen: Drehen eines Fluidikmoduls, um eine Flüssigkeit zentrifugal durch einen Verbindungskanal aus einem ersten Fluidbereich in einen zweiten Fluidbereich zu treiben. Dabei ist die aktive Festphase im fluidischen Pfad des Flusses der Flüssigkeit, d.h. in dem zweiten Fluidbereich oder dem Verbindungskanal angeordnet und wird durch den Fluss der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal in den zweiten Fluidbereich von der Flüssigkeit durchströmt oder überströmt. Dabei fließt Sekundärfluid durch einen Zuflusskanal in den ersten Fluidbereich nach und ein Sekundärfluid fließt durch einen Abflusskanal aus dem zweiten Fluidbereich ab. Das Drehen wird mit einer solchen Drehfrequenz durchgeführt, dass ein Zustand erreicht wird, bei dem eine Flussrate eines Flusses der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal in den zweiten Fluidbereich durch eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Zuflusskanal in den ersten Fluidbereich nachfließt, und/oder eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Abflusskanal aus dem zweiten Fluidbereich abfließt, begrenzt ist. Dieser Zustand kann als Arbeitszustand bezeichnet werden und kann anhalten, bis die gesamte Flüssigkeit, d.h. das gesamte Prozessfluid, aus dem ersten Fluidbereich durch den Verbindungskanal in den zweiten Fluidbereich geflossen ist.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen eine Vorrichtung, die ausgelegt ist, um Verfahren, wie sie hierin offenbart sind, durchzuführen. Die Vorrichtung weist das Fluidikmodul auf, das Fluidikstrukturen aufweist, die den ersten Fluidbereich, den zweiten Fluidbereich, den Verbindungskanal, den Zuflusskanal und den Abflusskanal bilden, wobei eine aktive Festphase in dem zweiten Fluidbereich oder dem Verbindungskanal angeordnet ist. Die Geometrie, insbesondere die Abmessungen, der Fluidikstrukturen ist ausgelegt, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen. Die Vorrichtung weist ferner eine Antriebseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das Fluidikmodul zu drehen, um die Flüssigkeit zentrifugal durch den Verbindungskanal aus dem ersten Fluidbereich in den zweiten Fluidbereich zu treiben, wobei Sekundärfluid durch den Zuflusskanal in den ersten Fluidbereich nachfließt und Sekundärfluid durch den Abflusskanal aus dem zweiten Fluidbereich abfließt. Die Antriebseinrichtung ist ausgebildet, um das Drehen mit einer solchen Drehfrequenz durchzuführen, dass ein Zustand erreicht wird, bei dem eine Flussrate eines Flusses der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal in den zweiten Fluidbereich durch eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Zuflusskanal in den ersten Fluidbereich nachfließt, und/oder eine Flussrate eines Flusses, mit dem das zweite Sekundärfluid durch den Abflusskanal aus dem zweiten Fluidbereich abfließt, begrenzt ist. Die aktive Phase wird durch den Fluss der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal in den zweiten Fluidbereich von der Flüssigkeit durchströmt oder überströmt.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen somit auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik in einem zentrifugalen System eine pneumatische Steuerung der Flussrate eines Flüssigkeitsflusses eines Prozessfluids durch und/oder über eine aktive Festphase, die von der Viskosität des Prozessfluids unabhängig ist. Die Fluidikstrukturen können dabei derart ausgelegt sein, dass die Flussrate nur über das zentrifugale System gesteuert wird und im Wesentlichen unabhängig von den Kapillarkräften in der gesamten Struktur, unabhängig von der Viskosität des Prozessfluids und vollständig steuerbar über die extern regulierbare Drehfrequenz ist. Die Flussrate kann zwar von der Viskosität von einem der Sekundärfluide abhängen, jedoch ist diese Viskosität bekannt. Bei Beispielen wird als Sekundärfluid, dessen Flussrate die Flussrate des Prozessfluids begrenzt, ein Sekundärfluid verwendet, dessen Viskosität nicht oder nur wenig von der Temperatur abhängt, wie z.B. Luft. Bei Beispielen sind das Sekundärfluid, das in den ersten Fluidbereich nachfließt, und das Sekundärfluid, das aus dem zweiten Fluidbereich abfließt, das gleiche Fluid. Bei Beispielen sind das Sekundärfluid, das aus dem zweiten Fluidbereich abfließt und/oder das Sekundärfluid, das in den ersten Fluidbereich nachfließt, Luft.
Bei Beispielen ist der Flusswiderstand des Abflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit ist, wobei in dem Arbeitszustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit durch den Verbindungskanal fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid aus dem zweiten Fluidbereich abfließt, begrenzt ist. Bei Beispielen ist der Flusswiderstand des Abflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit. Solche Beispiele ermöglichen die Kontrolle der Flussrate der Flüssigkeit in den zweiten Fluidbereich durch das Einstellen der Flussrate, mit der das zweite Sekundärfluid aus dem zweiten Fluidbereich entweicht.
Bei Beispielen ist der Flusswiderstand des Zuflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit, wobei in dem Arbeitszustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit durch den Verbindungskanal fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid in die erste Fluidkammer nachfließt, begrenzt ist. Bei Beispielen ist der Flusswiderstand des Zuflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit. Solche Beispiele ermöglichen die Kontrolle der Flussrate der Flüssigkeit in den zweiten Fluidbereich durch das Einstellen der Flussrate, mit der das Sekundärfluid in den ersten Fluidbereich nachfließt.
Bei Beispielen sind die Flusswiderstände des Zuflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich und des Abflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich in Kombination größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit, wobei in dem Arbeitszustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit durch den Verbindungskanal fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid in den ersten Fluidbereich nachfließt und durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid aus dem zweiten Fluidbereich entweicht, begrenzt ist. Bei Beispielen ist die Kombination der Flusswiderstände des Zuflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich und des Abflusskanals für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit.
Bei Beispielen ist der Abflusskanal für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich gleich dem Zuflusskanal des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich, d.h. der Abflusskanal und der Zuflusskanal sind miteinander verbunden und bilden einen Sekundärfluidkanal, der den ersten Fluidbereich mit dem zweiten Fluidbereich fluidisch verbindet. Der Flusswiderstand des Sekundärfluidkanals ist größer als, mindestens 1,5-mal so groß wie, mindestens doppelt so groß wie, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals für den Fluss der Flüssigkeit, wobei in dem Arbeitszustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit durch den Verbindungskanal fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid durch den Sekundärfluidkanal von dem zweiten Fluidbereich in den ersten Fluidbereich fließt, begrenzt ist. Bei Beispielen bilden der erste Fluidbereich, der zweite Fluidbereich, der Verbindungskanal und der Sekundärfluidkanal eine Fluidstruktur, die nicht fluidisch mit der Umgebung verbunden ist.
Bei Beispielen ist die aktive Festphase ein poröses Medium. Bei Beispielen ist in dem Arbeitszustand ein Verhältnis der Flussrate durch den den Fluss der Flüssigkeit begrenzenden Kanal von Zuflusskanal und Abflusskanal zu einer maximal möglichen Flussrate der Flüssigkeit durch das poröse Medium maximal 1 oder maximal 2. Dadurch kann bei Beispielen auf vorteilhafte Weise erreicht werden, dass die gesamte Flüssigkeit oder zumindest die Hälfte der Flüssigkeit durch das poröse Medium fließt.
Bei Beispielen ist der Flusswiderstand des den Fluss der Flüssigkeit begrenzenden Kanals von Zuflusskanal und Abflusskanal für das jeweilige Sekundärfluid mindestens doppelt, dreimal, fünfmal oder zehnmal so groß ist wie der Flusswiderstand des anderen Kanals von Zuflusskanal und Abflusskanal für das jeweilige Sekundärfluid. Dadurch ist es möglich, die Abhängigkeit der Flussrate der Flüssigkeit von der viskosen Dissipation aufgrund des Flusses des Sekundärfluids durch den Kanal mit dem geringeren Flusswiderstand zu reduzieren bzw. von dieser unabhängig zu machen.
Bei Beispielen ist die aktive Festphase eine Oberflächenfunktionalisierung im Verbindungskanal oder in dem zweiten Fluidbereich. Bei Beispielen weist der erste Fluidbereich eine Fluidkammer auf oder ist durch eine Fluidkammer gebildet. Bei Beispielen weist der zweite Fluidbereich eine Fluidkammer auf oder ist durch eine Fluidkammer gebildet. Bei Beispielen weist der zweite Fluidbereich mehr als eine Fluidkammer auf, die jeweils durch einen Fluidkanal verbunden sind, wobei die aktive Festphase in einer der Fluidkammern des zweiten Fluidbereichs oder einem Fluidkanal, der Fluidkammern des zweiten Fluidbereichs miteinander verbindet, angeordnet ist.
Bei Beispielen ist die aktive Festphase ein poröses Medium, das bezüglich des Flusses seitlich zumindest teilweise von Wänden des zweiten Fluidbereichs beabstandet ist, so dass eine fluidische Verbindung zwischen einem radial inneren Abschnitt des porösen Mediums und einem radial äußeren Abschnitt des porösen Mediums außerhalb des porösen Mediums existiert, die zwischen den Wänden und dem porösen Medium einen Bypass für einen Flüssigkeitsstrom nicht durch das poröse Medium darstellt. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen für eine solche Anordnung eine solche Kontrolle des Flüssigkeitsflusses, dass zumindest die Hälfte oder der gesamte Flüssigkeitsfluss durch das poröse Medium fließt.
Bei Beispielen ist die aktive Festphase für kovalente und nicht-kovalente (bio-)chemische Reaktionen konfiguriert bzw. wird für diese verwendet. Bei Beispielen ist die aktive Festphase mit reaktiven Komponenten und/oder mit Biomolekülen imprägniert. Beispiele der vorliegenden Anmeldung ermöglichen somit die Durchführung von quantitativen und qualitativen Tests unter Verwendung entsprechender Festphasen, reaktiver Komponenten und/oder Biomoleküle, wie z.B. entsprechende Festphasen-Assays.
Bei Beispielen wird das Fluidikmodul mit einer gleichbleibenden Drehfrequenz gedreht, um in dem Arbeitszustand den Flüssigkeitsfluss auf bzw. durch/über die aktive Festphase zu steuern. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist somit das Durchlaufen eines komplexen Frequenzprotokolls zur Flusskontrolle nicht erforderlich.
Figurenliste
Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Fluidikstrukturen zum Begrenzen einer Flussrate einer Flüssigkeit mittels einer Widerstands-Struktur eines Abflusskanals für ein Sekundärfluid;
2 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Fluidikstrukturen zum Begrenzen einer Flussrate einer Flüssigkeit mittels einer Widerstands-Struktur eines Zuflusskanals für ein Sekundärfluid;
3 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Fluidikstrukturen zum Begrenzen einer Flussrate einer Flüssigkeit mittels einer Widerstands-Struktur in einem Zuflusskanal für ein Sekundärfluid und einer Widerstandsstruktur in einem Abflusskanal für ein Sekundärfluid;
4 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Fluidikstrukturen zum Begrenzen einer Flussrate einer Flüssigkeit mittels einer Widerstands-Struktur bei der ein Zuflusskanal für ein Sekundärfluid gleich einem Abflusskanal für ein Sekundärfluid ist;
5 eine schematische Darstellung eines Beispiels von Fluidikstrukturen zum Begrenzen einer Flussrate einer Flüssigkeit, bei dem ein Sekundärfluid eine Flüssigkeit ist;
6A eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels von Fluidikstrukturen mit einem an einer Decke einer Fluidkammer angeordneten porösen Medium;
6B eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels von Fluidikstrukturen mit einem an einem Boden einer Fluidkammer angeordneten porösen Medium;
6C eine schematische perspektivische Ansicht der Fluidikstrukturen von 6B; und
7 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Vorrichtung zum Leiten einer Flüssigkeit durch ein poröses Medium.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Insbesondere können gleiche oder ähnliche Elemente jeweils mit Bezugszeichen versehen sein, die eine gleiche Zahl mit einem unterschiedlichen oder keinem Kleinbuchstaben aufweisen. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, sind gegeneinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
Bevor Beispiele der vorliegenden Offenbarung näher erläutert werden, werden Definitionen einiger hierin verwendeter Begriffe angegeben.
Prozessfluid: zu prozessierende Flüssigkeit, d.h. die Flüssigkeit, die auf, d.h. durch/über die aktive Festphase geleitet wird. Die Viskosität des Prozessfluids muss nicht bekannt sein.
Sekundärfluid: Fluid, das für die Flusskontrolle des Prozessfluids verwendet wird. Die Viskosität zumindest des Sekundärfluids, das die Flussrate des Prozessfluids begrenzt, ist bekannt.
Hydrostatische Höhe: radiale Distanz zwischen zwei Punkten in einem zentrifugalen Fluidikmodul (Kartusche) zwischen denen sich Flüssigkeit einer zusammenhängenden Flüssigkeitsmenge befindet.
Hydrostatischer Druck: durch Zentrifugalkraft induzierte Druckdifferenz zwischen zwei Punkten aufgrund der zwischen ihnen liegenden hydrostatischen Höhe, der Dichte des Mediums und der Rotationsfrequenz.
Kapillarität: Verhalten von Flüssigkeiten bei Kontakt mit Kapillaren, z. B. engen Röhren oder in einem porösen Medium. Diese Effekte werden durch die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten selbst und die Grenzflächenspannung zwischen Flüssigkeiten und der festen Oberfläche hervorgerufen.
Viskose Dissipation: beim Fließen einer Flüssigkeit verlorene Energie in Form von thermischer Energie durch interne Scherkräfte.
Permeabilität: quantitative Größe für die Durchlässigkeit eines porösen Mediums für Gase oder Flüssigkeiten.
Immunoassay: eine Methode der Bioanalytik, die die spezifische Antikörper-Antigen-Reaktion nutzt, um einen Analyten in einer flüssigen Phase nachzuweisen.
Inkubationszeit: Zeit, in der eine spezifische Reaktion ablaufen kann
Festphase: Oberfläche eines Feststoffes, die beispielsweise für eine separierende Reaktionen genutzt wird. Die Oberfläche kann mit Substanzen funktionalisiert sein. Als aktive Festphase wird die Oberfläche eines Feststoffes bezeichnet, die mit einem Prozessfluid in Wechselwirkung tritt, um eine biologische/chemische Reaktion zu bewirken.
Bei Beispielen kann die Reaktion eine kovalente und nicht-kovalente (bio-)chemische Reaktionen sein. Bei Beispielen kann die Oberfläche mit reaktiven Komponenten und/oder mit Biomolekülen imprägniert sein.
Analyt: eine Komponente, die sich in der Analysenprobe befindet und die nachgewiesen werden soll.
Bypass: Flüssigkeitsstrom, der nicht dem gewünschten fluidischen Pfad folgt, beispielsweise Fluss über ein oder neben einem porösen Medium, anstelle durch das poröse Medium hindurch.
Lateral Flow Tests: ein chromatographischer Immunoassay zum schnellen Nachweis von Analyten in Form eines in der Regel aus Membranen bestehenden Teststreifens, die aufgrund ihrer Kapillarität die Analysenprobe durch den Teststreifen ziehen.
Radial: radial bezieht sich hierin jeweils auf radial bezüglich eines Rotationszentrums R, um das ein Fluidikmodul drehbar ist. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial auswärts und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial einwärts. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.
Ist nichts anderes angegeben, ist hinsichtlich temperaturabhängiger Größen jeweils von Raumtemperatur (20°C) auszugehen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Verfahren zur Flusskontrolle unter Zentrifugation, das vernachlässigbar von der Viskosität des Prozessfluids abhängig ist. Das Funktionsprinzip ist dabei das folgende: ein Prozessfluid wird zentrifugal aus einem ersten Fluidbereich, beispielsweise einer ersten Kammer, durch einen Verbindungskanal, der einen sehr geringen fluidischen Widerstand aufweisen kann, in einen zweiten Fluidbereich, beispielsweise eine zweite Kammer, getrieben. Beide Kammern können mit einem Sekundärfluid gefüllt sein. Ein Widerstandskanal verbindet 1) den zweiten Fluidbereich als Abflusskanal für ein Sekundärfluid direkt oder indirekt mit der Umgebung, oder 2) den ersten Fluidbereich als Zuflusskanal für ein Sekundärfluid direkt oder indirekt mit der Umgebung, oder 3) den zweiten Fluidbereich als ein Sekundärfluidverbindungskanal mit dem ersten Fluidbereich. In Fall 2) baut sich durch das Ausleiten des Prozessfluids ein Unterdruck in dem ersten Fluidbereich auf, der die Flussrate im Verbindungskanal begrenzt. Durch das durch den Widerstandskanal kontrollierte Nachfließen eines Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich stellt sich eine Flussrate im Verbindungskanal ein, die von der Viskosität des Sekundärfluids abhängig ist und eine vernachlässigbare Abhängigkeit von der Viskosität des Prozessfluids aufweist. In Fall 1) baut sich durch das Einleiten des Prozessfluids in den zweiten Fluidbereich ein Überdruck auf, der wie in Fall 2) die Flussrate im Verbindungskanal begrenzt. Analog zu Fall 2) wird durch das kontrollierte Ausfließen eines Sekundärfluid aus dem verbundenen zweiten Fluidbereich eine Flussrate im Verbindungskanal eingestellt, die abhängig von der Viskosität des Sekundärfluids ist und vernachlässigbar abhängt von der Viskosität des Prozessfluids. Im Fall 2) ist es nicht notwendig, eine Einlassöffnung, die zum Einbringen des Prozessfluids in den ersten Fluidbereich vorgesehen sein kann, zu verschließen. Im Fall 3) kann eine pneumatische Flusskontrolle über eine Verbindung der zweiten Kammer in die erste Kammer ohne eine Verbindung zur Umgebung realisiert werden.
Bei Beispielen kann somit die Flussrate durch und/oder über eine aktive Festphase und somit auch die Verweilzeit der Analysenproben präzise und unabhängig von der Viskosität der Probe eingestellt werden. Ebenso ist das Verfahren nahezu vollständig robust gegenüber Gasblasen im Prozessfluid beziehungsweise sich im Verbindungskanal bildenden Gasblasen, beispielsweise durch Temperaturerhöhung.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf ein Verfahren, um Flüssigkeiten mit unbekannter Viskosität kontrolliert durch eine zentrifugal mikrofluidische Struktur zu treiben. Beispiele ermöglichen es, bei minimalem Handhabungsaufwand, den Fluss über/durch eine aktive Festphase definiert einzustellen, wobei die Viskosität der zu prozessierenden Flüssigkeit vernachlässigt werden kann. Dieser probenunabhängige Durchfluss über/durch eine aktive Festphase ermöglicht die Entwicklung von hoch sensitiven und quantitativen chromatographischen Immunoassays.
Bei Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Fluidikmodul gedreht, um dadurch zentrifugal Flüssigkeit über einen Verbindungskanal aus einer ersten Fluidkammer in eine zweite Fluidkammer zu treiben. In dem Fluidikmodul sind Fluidikstrukturen vorgesehen, die ausgelegt sind, um zu bewirken, dass bei dem Drehen ein Zustand eintritt, bei dem die Flussrate der Flüssigkeit durch eine Flussrate eines Sekundärfluids, das in die erste Fluidkammer nachfließt, und oder durch eine Flussrate eines Sekundärfluids, das aus der zweiten Fluidkammer entweicht oder aufgrund eines Flusses des Sekundärfluids aus der zweiten Kammer in die erste Kammer, begrenzt ist.
Der Verbindungskanal ist ausgestaltet, um in dem Arbeitszustand zu verhindern, dass ein Austausch von Sekundärfluid zwischen dem ersten Fluidbereich und dem zweiten Fluidbereich über den Verbindungskanal stattfindet. Der Ausdruck „Verbindungskanal“ soll dabei auch mehrerer Verbindungskanäle umfassen, die die gleiche Wirkung haben.
Unter einer Fluidkammer werden dabei hierin Fluidikstrukturen verstanden, die solche Querschnittabmessungen senkrecht zu einer Flussrichtung aufweisen, dass sie für einen Flüssigkeitsfluss in der Flussrichtung keinen oder nur einen vernachlässigbaren Flusswiderstand darstellen. Dagegen weisen Fluidkanäle solche Querschnittabmessungen auf, dass sie auf einen Flüssigkeitsfluss in der Flussrichtung einen Einfluss in Form eines Flusswiderstandes oder in Form eines Kapillarventils an einem Übergang von einem Fluidkanal in eine Fluidkammer haben.
Die Fluidikstrukturen und das Prozessfluidvolumen, d.h. das Volumen der Flüssigkeit, die aus dem ersten in den zweiten Fluidbereich geleitet werden soll, sind ausgelegt, um die hierin beschriebene Funktionalität zu ermöglichen. Bei Beispielen beträgt das Verhältnis zwischen dem Volumen des Fluidbereichs, in dem der größere Druckaufbau gegenüber der Umgebung stattfindet, und dem Prozessfluidvolumen zwischen 1 und 100.
1 zeigt ein Beispiel von Fluidikstrukturen zum Durchführen eines Verfahrens wie es hierin beschrieben ist. Die Fluidikstrukturen können in einem Fluidikmodul 10 gebildet sein, das um ein Rotationszentrum R drehbar ist. Die Fluidikstrukturen weisen eine erste Fluidkammer 12 als Beispiel eines ersten Fluidbereichs, eine zweite Fluidkammer 14 als Beispiel eines zweiten Fluidbereichs, einen Verbindungskanal 16, einen Zuflusskanal 18 und einen Abflusskanal 20 auf. Der Verbindungskanal 16 ist radial abfallend, so dass durch Drehen des Fluidikmoduls 10 eine Flüssigkeit 22 zentrifugal aus der ersten Fluidkammer 12 in die zweite Fluidkammer 14 getrieben werden kann. Bei dem gezeigten Beispiel mündet der Verbindungskanal 16 an einem radial äußeren Abschnitt der ersten Fluidkammer 12 in die erste Fluidkammer 12 und an einem radial inneren Abschnitt der zweiten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 14. Der Zuflusskanal 18 mündet an einem radial inneren Abschnitt der ersten Fluidkammer 12 in die erste Fluidkammer 12. Der Abflusskanal 20 mündet an einem radial inneren Abschnitt der zweiten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 14. In der zweiten Fluidkammer 14 ist eine aktive Festphase 30 angeordnet. Bei der aktiven Festphase kann es sich um ein poröses Medium handeln. Die aktive Festphase 30 kann radial weiter außen als die Mündung des Verbindungskanals 16 in die zweite Fluidkammer 14 der Mündung gegenüberliegend angeordnet sein, so dass die zentrifugal durch den Verbindungskanal 16 getriebene Flüssigkeit auf die aktive Festphase 30 trifft.
Der Zuflusskanal 18 ist über eine Entlüftung 32 direkt oder indirekt mit der Umgebung gekoppelt. Der Abflusskanal 20 weist einen fluidischen Widerstand 34 auf, der über eine Entlüftung 36 direkt oder indirekt mit der Umgebung gekoppelt ist. Der Zuflusskanal 18 kann durch einen Entlüftungskanal gebildet sein, der keinen nennenswerten Flusswiderstand aufweist, oder einen Flusswiderstand aufweist, der um ein Vielfaches geringer ist als der Flusswiderstand des Abflusskanals 20, der den fluidischen Widerstand 34 aufweist. Bei Beispielen kann der Flusswiderstand des Abflusskanals mindestens doppelt, dreimal, fünfmal oder zehnmal so groß sein wie der Flusswiderstand des Zuflusskanals 18. Der Flusswiderstand des Verbindungskanals 16 für die Flüssigkeit 22 ist geringer als der oder vernachlässigbar gegenüber dem (beispielsweise um einen Faktor von mindestens 5 oder mindestens 10 geringer als der) Flusswiderstand des fluidischen Widerstands 34 für ein in der zweiten Fluidkammer befindliches zweites Sekundärfluid. Unter einem vernachlässigbaren Flusswiderstand kann hierein ein solcher verstanden werden, bei dem kein merklicher Druckabfall über den Fluidkanal stattfindet.
2 zeigt ein Beispiel von alternativen Fluidikstrukturen zum Durchführen eines Verfahrens wie es hierin beschrieben ist. Die Fluidikstrukturen können wiederum in einem Fluidikmodul 10 gebildet sein, das um ein Rotationszentrum R drehbar ist. Die Fluidikstrukturen weisen eine erste Fluidkammer 12, eine zweite Fluidkammer 14, einen Verbindungskanal 16, einen Zuflusskanal 38 und einen Abflusskanal 40 auf. Der Verbindungskanal 16 ist radial abfallend, so dass durch Drehen des Fluidikmoduls 10 eine Flüssigkeit 22 zentrifugal aus der ersten Fluidkammer 12 in die zweite Fluidkammer 14 getrieben werden kann. Bei dem gezeigten Beispiel mündet der Verbindungskanal 16 an einem radial äußeren Abschnitt der ersten Fluidkammer 12 in die erste Fluidkammer 12 und an einem radial inneren Abschnitt der zweiten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 14. Der Zuflusskanal 38 mündet an einem radial inneren Abschnitt der ersten Fluidkammer 12 in die erste Fluidkammer 12. Der Abflusskanal 40 mündet an einem radial inneren Abschnitt der zweiten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer. In der zweiten Fluidkammer 14 ist eine aktive Festphase 30 angeordnet. Die aktive Festphase 30 kann radial weiter außen als die Mündung des Verbindungskanals 16 in die zweite Fluidkammer 14 der Mündung gegenüberliegend angeordnet sein, so dass die zentrifugal durch den Verbindungskanal 16 getriebene Flüssigkeit auf die aktive Festphase 30 trifft.
Der Zuflusskanal 38 weist einen fluidischen Widerstand 44 auf, der über eine Entlüftung 42 direkt oder indirekt mit der Umgebung gekoppelt ist. Der Abflusskanal 40 ist über eine Entlüftung 46 direkt oder indirekt mit der Umgebung gekoppelt. Der Abflusskanal 40 kann durch einen Entlüftungskanal gebildet sein, der keinen nennenswerten Flusswiderstand aufweist, oder einen Flusswiderstand aufweist, der um ein Vielfaches geringer ist als der Flusswiderstand des Zuflusskanals 38, der den fluidischen Widerstand 44 aufweist. Bei Beispielen kann der Flusswiderstand des Zuflusskanals 38 mindestens doppelt, dreimal, fünfmal oder zehnmal so groß sein wie der Flusswiderstand des Abflusskanals 40. Der Flusswiderstand des Verbindungskanals 16 für die Flüssigkeit 22 ist geringer als der oder vernachlässigbar gegenüber dem (beispielsweise um einen Faktor von mindestens 5 oder 10 geringer als der) Flusswiderstand des fluidischen Widerstands 44 für ein Sekundärfluid, das über den Zuflusskanal 38 in die erste Fluidkammer gelangt.
Die in den 1 und 2 gezeigten Beispiele unterscheiden sich somit dadurch, dass gemäß 1 der Abflusskanal einen fluidischen Widerstand aufweist und somit als Widerstands-Struktur bezeichnet werden kann, während gemäß 2 der Zuflusskanal eine Widerstands-Struktur darstellt. 1 stellt somit ein Beispiel für den obigen Fall 1) dar und 2 stellt somit ein Beispiel für den obigen Fall 2) dar.
Die Widerstands-Struktur bestimmt im Wesentlichen den fluidischen Widerstand (Flusswiderstand) des Zuflusskanals bzw. Ablaufkanals. Somit wird im Folgenden jeweils auf den fluidischen Widerstand der Widerstands-Struktur Bezug genommen. Es bedarf jedoch keiner weiteren Erläuterung, dass stattdessen jeweils auch auf den fluidischen Widerstand des Zuflusskanals bzw. Ablaufkanals direkt Bezug genommen werden könnte.
Zur Durchführung des Verfahrens wird das Fluidikmodul mit der in der ersten Fluidkammer befindlichen Flüssigkeit 22, die das Prozessfluid darstellt, bereitgestellt. Alternativ kann das Verfahren das Einbringen der Flüssigkeit 22 in die erste Fluidkammer aufweisen. Der Rest der ersten Fluidkammer 12, die eine Zuflusskammer darstellt, und die zweite Fluidkammer 14 sind mit dem gleichen oder unterschiedlichen Sekundärfluiden gefüllt. Bei dem oder den Sekundärfluiden kann es sich beispielsweise um ein kompressibles Medium, wie z.B. Luft, handeln. Das Fluidikmodul 10 wird dann einer Rotation um die Rotationsachse R unterworfen, d.h. das Fluidikmodul 10 wird um die Rotationsachse R gedreht, wobei das Prozessfluid 22 aus der ersten Fluidkammer 12 zentrifugal in die zweite Fluidkammer 14 getrieben wird. Dabei baut sich, je nach Fall, in einer der beiden Fluidkammern ein Überdruck bzw. Unterdruck auf, da die Widerstands-Struktur 34/44 den Druckausgleich der jeweiligen Kammer begrenzt. Im Fall 1) (1) baut sich in der zweiten Fluidkammer 14 ein Überdruck auf und im Fall 2) baut sich in der ersten Fluidkammer 12 ein Unterdruck auf. In dieser ersten Phase ist die Flussrate des Prozessfluids durch den Verbindungskanal 16 größer als die Flussrate des Sekundärfluids, d.h. des kompressiblen Mediums, durch die Widerstands-Struktur 34/44. Bei gleichbleibender Rotationsfrequenz erhöht sich die Druckdifferenz in der jeweiligen Kammer stetig, bis ein Zustand erreicht wird, bei dem die Beträge des Zentrifugaldrucks p_cent der Flüssigkeitssäule aus dem Verbindungskanal 16 und der ersten Fluidkammer 12 gleich dem Betrag der Druckdifferenz ρ_diff in der jeweiligen Fluidkammer und dem des Druckverlusts, der durch viskose Dissipation ρ_visc,w in der Widerstands-Struktur entsteht, ist: $| p_{c e n t} | = | p_{d i f f} | = | p_{v i s c, W} |$
In Gleichung (1) wird dabei angenommen, dass der Verbindungskanal derart ausgelegt ist, dass der fluidische Widerstand des Widerstandskanals für das Prozessfluid vernachlässigbar gering ist und somit auch der Druckabfall aufgrund von viskoser Dissipation in dem Widerstandskanal vernachlässigbar ist. Falls der Druckabfall in dem Verbindungskanal nicht vernachlässigbar ist, müsste dieser in der obigen Gleichung entsprechend berücksichtigt werden, indem er vom Zentrifugaldruck subtrahiert wird.
Dieser Zustand stellt den Zustand dar, bei dem die Flussrate eines Flusses des Prozessfluids durch den Verbindungskanal in die zweite Fluidkammer durch die Flussrate, mit der das jeweilige Sekundärfluid durch die Widerstands-Struktur fließt, begrenzt ist. Dieser Zustand stellt somit den Arbeitszustand der Struktur dar, der beim Drehen des Fluidikmoduls auftritt. Die Drehfrequenz kann dabei konstant sein. Alternativ kann die Drehfrequenz auch variieren, solange sie nicht so stark reduziert wird, dass der Überdruck in der zweiten Fluidkammer (Fall 1)) abgebaut bzw. der Unterdruck in der ersten Fluidkammer (Fall 2)) abgebaut wird. Die entsprechende Drehung kann solange fortgesetzt werden, bis das gesamte Prozessfluid aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer gelangt ist.
Da p_diff gleich p_cent und ρ_visc,w ist und sich aus dem konstruktiven Zusammenspiel des Verbindungskanals und der Widerstands-Struktur ergibt, wird es für die weitere Betrachtung nicht berücksichtigt. Für die nachfolgende Beispielberechnung wird von inkompressiblen Fluiden ausgegangen.
Die Gleichung für die antreibende Kraft, den zentrifugalen Druck ρ_cent, im beschriebenen System lautet: $p_{c e n t} = \frac{ρ_{s}}{2} ω^{2} (r_{2}^{2} - r_{1}^{2})$
mit ρ_s: Dichte des Prozessfluids [kg/m³]
ω: Kreisfrequenz (Rotationsgeschwindigkeit) [s^-1]
r₁: radial innere Position der Flüssigkeitssäule (Prozessfluid) [m]
r₂: radial äußere Position der Flüssigkeitssäule (Prozessfluid) [m]
Die Gleichung für die viskose Dissipation ρ_visc,w in der Widerstands-Struktur lautet: $p_{v i s c, W} = Q_{R} C_{R} \frac{η_{S e k} l_{R}}{A_{R}^{2}}$

mit Q_R: Flussrate durch die Widerstands-Struktur
C_R: Geometriefaktor abhängig vom Kanalquerschnitt [-]
l_R: Länge der Widerstands-Struktur [m]
A_R: Flussquerschnittsfläche der Widerstands-Struktur [m²]
η_Sek: dynamische Viskosität des Sekundärfluids (das durch die Widerstands-Struktur fließt) [Pa*s]
Damit Gleichung (1) erfüllt ist, muss die Flussrate des Prozessfluids durch den Verbindungskanal gleich der Flussrate des Sekundärfluids durch die Widerstands-Struktur sein. Ebenso wird in der beschriebenen Beispielrechnung davon ausgegangen, dass kein zentrifugal induzierter Druck den Fluss durch die Widerstands-Struktur beschleunigt oder abbremst. Wird der fluidische Widerstand des Verbindungskanals vernachlässigbar klein gewählt, lässt sich die druckausgleichende Flussrate Q_R des Sekundärfluids durch Gleichsetzen der Drücke aus Gleichung (2) und (3) entsprechend nach Gleichung (1) folgendermaßen berechnen: $Q_{R} = \frac{\frac{ρ_{s}}{2} ω^{2} (r_{2}^{2} - r_{1}^{2})}{C_{R} \frac{η_{S e k} l_{R}}{A_{R}^{2}}}$
Somit können die Fluidikstrukturen derart ausgelegt werden, dass die druckausgleichende Flussrate des Sekundärfluids durch die Widerstands-Struktur die Flussrate der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal begrenzt. Somit ist es möglich, die Flussrate der Flüssigkeit durch Anpassung des Druckverlusts, der durch viskose Dissipation ρ_visc in der Widerstands-Struktur entsteht, einzustellen.
Allgemein können Merkmale der beschriebenen Beispiele der Offenbarung auch kombiniert werden. So zeigt 3 ein Beispiel von Fluidikstrukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung, bei denen sowohl der Zulaufkanal 38 in die erste Fluidkammer 12 einen fluidischen Widerstand 44 aufweist, als auch der Abflusskanal 20 aus der zweiten Fluidkammer 14 einen fluidischen Widerstand 34 aufweist. In einem solchen Fall ist die Summe der fluidischen Widerstände 34 und 44 für das jeweilige Sekundärfluid größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals 16 für den Fluss des Prozessfluids 22. Im Betrieb fließt somit Sekundärfluid durch den fluidischen Widerstand 44 des Zuflusskanals 38 in die erste Fluidkammer 12 nach und fließt durch den fluidischen Widerstand 34 des Abflusskanals 20 aus der zweiten Fluidkammer 14 ab. Somit wird in dem Arbeitszustand die Flussrate, mit der das Prozessfluid durch den Verbindungskanal 16 fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid in die erste Fluidkammer 12 nachfließt und durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid aus der zweiten Fluidkammer 30 abfließt, begrenzt.
4 zeigt ein Beispiel der vorliegenden Offenbarung, bei dem ein Zulaufkanal 47 mit einem fluidischen Widerstand 48 zugleich einen Abflusskanal 49 aus der zweiten Fluidkammer 14 darstellt. Anders ausgedrückt sind der Zuflusskanal 47 und der Abflusskanal 49 fluidisch miteinander verbunden, weisen einen fluidischen Widerstand 48 auf und bilden einen Sekundärfluidkanal, der die zweite Fluidkammer 14 mit der ersten Fluidkammer 12 fluidisch verbindet. Im Betrieb fließt Sekundärfluid aus der zweiten Fluidkammer 14 durch den Sekundärfluidkanal in die erste Fluidkammer 12. Der fluidische Widerstand 48 für das Sekundärfluid ist größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals 16 für das Prozessfluid, beispielsweise mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß. Somit wird eine Flussrate des Prozessfluids durch/über die aktive Festphase 30 durch die Flussrate des Sekundärfluids durch den Sekundärfluidkanal begrenzt. Bei solchen Beispielen ist die Fluidstruktur nicht zwingend mit der Umgebung verbunden.
Je kleiner der fluidische Widerstand des Verbindungskanals für das Prozessfluid verglichen mit dem fluidischen Widerstand der Widerstands-Struktur (d.h. des Zuflusskanals oder Abflusskanals, des fluidischen Widerstandes der Kombination aus Zu- und Abflusskanal, oder des Widerstandes des Sekundärfluidkanals von zweiter zu erster Kammer) für das jeweilige Sekundärfluid ist, desto weniger hängt die Flussrate der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal von der Viskosität des Prozessfluids ab. Bei Beispielen sind die Widerstandstruktur und der Verbindungskanal derart ausgelegt, dass der fluidische Widerstand des Verbindungskanals für das Prozessfluid verglichen mit dem fluidischen Widerstand der Widerstands-Struktur für das Sekundärfluid vernachlässigbar ist, z.B. um einen Faktor von 10 kleiner ist.
Eine reduzierte Abhängigkeit von der Viskosität des Prozessfluids kann erreicht werden, wenn der fluidische Widerstand der Widerstandstruktur für das Sekundärfluid merklich größer ist als der fluidische Widerstand des Verbindungskanals für das Prozessfluid. Bei Beispielen ist der fluidische Widerstand der Widerstands-Struktur Rw größer als der fluidische Widerstand des Verbindungskanals Rz, mindestens 1,5-mal so groß: $k = \frac{R_{W}}{R_{Z}} > 1.5$
Der fluidische Widerstand R eines Kanals bzw. einer Widerstandstruktur wird dabei wie folgt definiert: $R = C_{R} \frac{η l_{R}}{A_{R}^{2}}$

mit C_R Geometriefaktor abhängig vom Kanalquerschnitt [-]
I_R Länge der Widerstandstruktur bzw. des Kanals [m]
A_R Flussquerschnittsfläche der Widerstands-Struktur [m²]
η dynamische Viskosität des betroffenen Fluids [Pa*s]
Für einen quadratischen Querschnitt der Widerstands-Struktur ist beispielsweise der Geometriefaktor C_R 28.4 und für runde Kanäle 8_Π, was in etwa 25.1 entspricht. Für rechteckige Widerstands-Strukturen berechnet sich CR wie folgt: $C_{R} = \frac{2}{a \sum_{i = 1}^{\infty} \frac{a}{α_{i}^{5}} (\frac{α_{i}}{a} - tahn \frac{α_{i}}{a})}$
mit $α_{i} = \frac{π (2 i - 1)}{2} und a = \frac{d}{w} .$
Dabei stellt d die Tiefe der Widerstands-Struktur und w die Breite der Widerstands-Struktur dar. Aus der Fachliteratur können weitere Geometriefaktoren für spezielle Querschnitte entnommen werden. Hier sei insbesondere auf M. Richter u.a., „Microchannels for applications in liquid dosing and flow-rate measurement“, Sensors and Actuators A: Physical, 1997, Vol. 62, Ausgabe 1-3, Seiten 480-483 verwiesen.
Um bei Beispielen den vollständigen Durchfluss oder zumindest einen Durchfluss von 50% des Prozessfluids durch ein beispielsweise freiliegendes poröses Medium als aktive Festphase in der Fluidkammer zu gewährleisten, können die Flussrate auf das poröse Medium und der Zentrifugaldruck der Flüssigkeitssäule im porösen Medium aufeinander abgestimmt werden. Dies kann über eine Anpassung des Druckverlusts, der durch viskose Dissipation ρ_visc in der Widerstands-Struktur entsteht, präzise eingestellt werden. Bei Beispielen kann der fluidische Widerstand der Widerstands-Struktur derart angepasst werden, dass unter Rotation die resultierende Flussrate von der Zufluss-Kammer über den Verbindungskanal in die Fluidkammer soweit eingeschränkt wird, dass es nicht zu einem Umfließen des porösen Mediums (Bypass) kommt. Um dies zu erreichen, können die Fluidikstrukturen derart ausgebildet sein, dass ein Verhältnis der Flussrate durch die Widerstands-Struktur (d.h. den den Fluss der Flüssigkeit begrenzenden Kanal) zu einer maximal möglichen Flussrate der Flüssigkeit durch das poröse Medium maximal 1 oder maximal 2 ist.
Die maximal mögliche Flussrate Q_max,m der Flüssigkeit (Prozessfluids) durch das poröse Medium beträgt: $Q_{m a x, m} = \frac{ϱ_{s} * r_{i n, m} * ω^{2} * A_{m} * κ}{η_{s}}$
Mit r_in,m radiale Entfernung zwischen Rotationszentrum R und radial innerem Ende des porösen Mediums [m]
ρ_s Dichte des Prozessfluids [kg/m³]
ω Kreisfrequenz (Rotationsgeschwindigkeit) [s-¹]
A_m Querschnittfläche des porösen Mediums [m²]
κ Permeabilität des porösen Mediums [m²]
η_s dynamische Viskosität des Prozessfluids [Pa*s]
Um einen vollständigen Fluss durch das poröse Medium zu gewährleisten, müsste die Flussrate Q_R des Sekundärfluids durch die Widerstands-Struktur kleiner oder gleich Q_max,m sein. Betrachtet man das Verhältnis von Q_R zu Q_max,m als Faktor D, so ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (8): $D = \frac{η_{s} (r_{2}^{2} - r_{1}^{2})}{2 * C_{R} \frac{η_{s e k} l_{R}}{A_{R}^{2}} * r_{i n, m} * A_{m} * κ}$
Der Faktor D gibt an, ob es bei einem porösen Medium, das bezüglich des Flusses seitlich zumindest teilweise von Kammerwänden der zweiten Fluidkammer beabstandet ist, so dass eine fluidische Verbindung zwischen einem radial inneren Abschnitt des porösen Mediums und einem radial äußeren Abschnitt des porösen Mediums außerhalb des porösen Mediums existiert, die zwischen den Kammerwänden und dem porösen Medium einen Bypass für einen Flüssigkeitsstrom nicht durch das poröse Medium darstellt, einen Fluss an dem porösen Medium vorbei geben wird oder nicht. Bei Beispielen sind die Geometrie der Fluidikstrukturen und die Flüssigkeitssäule des Prozessfluids derart gewählt, dass gilt: D ≤ 1, so dass das gesamte Prozessfluid durch das poröse Medium fließen kann. Bei Beispielen sind die Geometrie der Fluidikstrukturen und die Flüssigkeitssäule des Prozessfluids derart gewählt, dass gilt: D ≤ 2, so dass zumindest die Hälfte des gesamten Prozessfluids durch das poröse Medium fließen kann.
Bei den obigen Berechnungen kann statt der radial inneren Position der Flüssigkeitssäule r₁ eine radiale Position r₁, die einen Füllstand von 80% eines initialen Füllstands des Prozessfluids in der ersten Fluidkammer darstellt, verwendet werden. Bei Beispielen kann statt dieses Füllstands für die Berechnung eine radiale Position r_i verwendet werden, die der radialen Position entspricht, an der der Flusswiderstandskanal in die erste Fluidkammer, also die Zufluss-Kammer, mündet. Ist die obige Bedingung für die radiale Position r₁ erfüllt, ist sie in jedem Fall auch für die radiale Position r_i erfüllt.
Allgemein können Beispiele der Offenbarung ohne weiteres mit anderen Operationen auf derselben zentrifugalen mikrofluidischen Plattform kombiniert werden. Nachfolgende Beispiele basieren auf der Erkenntnis, dass der Durchfluss des Sekundärfluids durch die Widerstands-Struktur auch von einer Hauptstruktur entkoppelt sein kann. 5 zeigt schematisch Fluidikstrukturen in einem Fluidikmodul 10 für ein solches Beispiel. Eine erste Fluidkammer 12 ist über einen Verbindungskanal 16 mit einer zweiten Fluidkammer 54 gekoppelt. Ein Zuflusskanal 18, der über eine Entlüftung 32 direkt oder indirekt mit der Umgebung fluidisch gekoppelt ist, ist mit einem radial inneren Bereich der ersten Fluidkammer 12 fluidisch verbunden. Die zweite Fluidkammer 54 weist einen ersten Kammerbereich 56 und einen zweiten Kammerbereich 58 auf, wobei radial innere Abschnitte des ersten und zweiten Kammerbereichs 56, 58 über eine Fluidverbindung 60 verbunden sind. Radial äußere Abschnitte des ersten und zweiten Kammerbereichs 56, 58 sind somit durch einen Wandbereich 62 mit Ausnahme der Fluidverbindung 60 fluidisch voneinander getrennt. Der Verbindungskanal 16 mündet in einen radial äußeren Abschnitt der ersten Fluidkammer 12 und einen radial inneren Abschnitt des Kammerbereichs 56 der zweiten Fluidkammer 54. Der Verbindungskanal 16 ist radial abfallend, so dass Flüssigkeit 22 zentrifugal aus der ersten Fluidkammer 12 in die zweite Fluidkammer 54 getrieben werden kann. Ein erstes Ende eines Abflusskanals 64 mündet in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Kammerbereichs 58 in den zweiten Kammerbereich 58. Der Abflusskanal 64 weist einen fluidischen Widerstand 66 auf und stellt somit eine Widerstands-Struktur dar. Ein zweites Ende des Abflusskanals 64 mündet in eine Auffangkammer 68. Die Auffangkammer 68 ist über eine Entlüftung 70 mit der Umgebung direkt oder indirekt verbunden. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel können die erste Fluidkammer 12, der Verbindungskanal 16 und der erste Kammerbereich 56 als Hauptstruktur angesehen werden. In dem ersten Kammerbereich 56 der zweiten Fluidkammer 54 ist eine aktive Festphase 30 angeordnet. In dem zweiten Kammerbereich 58 der zweiten Fluidkammer 54 ist eine Flüssigkeit 80 als Sekundärfluid angeordnet. Im Übrigen ist ein Gas als kompressibles Medium, wie z.B. Luft, in der zweiten Fluidkammer 54 angeordnet.
Im Betrieb wird das Fluidikmodul 10 mit den Fluidikstrukturen mit einer Rotation um die Rotationsachse R beaufschlagt, durch die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 12 durch den Verbindungskanal 16 in die zweite Fluidkammer 54 und insbesondere den ersten Kammerbereich 56 derselben getrieben wird. Dadurch baut sich in der zweiten Fluidkammer 54 ein Überdruck auf, da der fluidische Widerstand 66 in dem Abflusskanal 64 (Widerstands-Struktur) den Druckausgleich in der zweiten Fluidkammer 54 begrenzt. Der Druckausgleich in der zweiten Fluidkammer 54 erfolgt bei dem in 5 gezeigten Beispiel dabei dadurch, dass die Flüssigkeit 80 über den Abflusskanal 64 in die Auffangkammer 68 getrieben wird. Wie oben bereits beschrieben wurde, ist in einer ersten Phase die Flussrate des Prozessfluids 22 durch den Verbindungskanal 16 größer als die Flussrate des Sekundärfluids 80 durch den Abflusskanal 64 aufgrund des in der zweiten Fluidkammer 54 befindlichen kompressiblen Mediums. Bei gleichbleibender Rotationsfrequenz erhöht sich die Druckdifferenz in der zweiten Fluidkammer 54 stetig, bis wiederum ein Zustand erreicht wird, bei dem die Beträge des Zentrifugaldrucks p_cent der Flüssigkeitssäule aus dem Verbindungskanal 16 und der ersten Fluidkammer 12 gleich dem Betrag der Druckdifferenz p_diff in der zweiten Fluidkammer 54 und dem des Druckverlusts, der durch viskose Dissipation ρ_visc,w in der Widerstands-Struktur 66 entsteht, ist. In diesem Zustand begrenzt wiederum die Flussrate des Sekundärfluids 80 durch den Abflusskanal 64 die Flussrate des Prozessfluids 22 durch den Verbindungskanal 16.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Sekundärfluid ein Gas sein und insbesondere ein Gas, dessen Viskosität eine geringe Temperaturabhängigkeit hat. Bei Beispielen ist das Sekundärfluid Luft. Da die Viskosität von Luft weniger temperaturabhängig als beispielsweise die von Wasser ist, ist die von der Viskosität des Sekundärfluids abhängige Flussrate der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal weniger von der Temperatur abhängig als wenn die Flussrate von der Viskosität der Flüssigkeit, bei der es sich um eine wässrige Phase handeln kann, abhängen würde.
In der folgenden Tabelle sind typische Größen für den Arbeitsbereich von Beispielen der hierein beschriebenen Verfahren angegeben:

Eigenschaft Arbeitsbereich Einheit

Flussraten Q 0,001 bis 10 µl/s

K > 1 -

Permeabilität κ des porösen Mediums/Materials 0,001 bis 100 µm²

Viskosität < 10⁴ mPa*s
Die aktive Festphase kann in der zweiten Fluidkammer frei liegen, wie z.B. in Form von Schüttungen, als Filter, als chromatographische Membran, etc. Die aktive Festphase kann an mindestens einer Seite in der Kammer fixiert sein kann, beispielsweise als Membran, etc. Bei Beispielen ist die aktive Festphase ein poröses Medium, das an einer Kammerwand der Fluidkammer fixiert und mit einem Abstand von zumindest einer weiteren Kammerwand der Fluidkammer angeordnet ist, so dass ein Bypass-Pfad existiert. Bei Beispielen ist das poröse Medium an einer Decke der Fluidkammer fixiert. Bei Beispielen ist das poröse Medium an einem Boden der Fluidkammer fixiert. Bei Beispielen sind in der Fluidkammer Führungsstrukturen vorgesehen sind, um die Flüssigkeit zu dem radial inneren Abschnitt des porösen Mediums zu leiten. Bei Beispielen kann die Führungsstruktur eine Einkerbung am Übergang von dem Verbindungkanal in die Fluidkammer aufweisen, die ausgelegt ist, um die Flüssigkeit mit Hilfe von Kräften, die aus der Oberflächenspannung der zu leitenden Flüssigkeit resultieren, zu dem radial inneren Abschnitt des porösen Mediums zu leiten.
6A zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels von Fluidikstrukturen, bei denen ein poröses Medium 105 als aktive Festphase, wie z.B. eine poröse Membran, an einer Decke 180 einer Fluidkammer 104 fixiert ist. Ein Verbindungskanal 103 weist bei dem gezeigten Beispiel eine geringere Tiefe auf als die Fluidkammer 104 und mündet in dem der Decke 180 zugewandten Bereich in die Fluidkammer 104. Die Fluidkammer 104 und der Kanal 103 können beispielsweise von einer ersten Oberfläche aus in einem Substrat strukturiert sein, wobei die Oberfläche mit einem Deckel, der die Decke 180 bildet, versehen ist. Die Fluidkammer kann bis zu einer ersten Tiefe, an der ein Boden 182 der Fluidkammer angeordnet ist, in dem Substrat gebildet sein. Der Verbindungskanal 103 kann bis zu einer geringeren Tiefe in dem Substrat gebildet sein. Ein Flüssigkeitsstrom 106 bewegt sich durch den Verbindungskanal 103 und aufgrund der Oberflächenspannung entlang der Decke 180 und trifft auf den radial innen liegenden Abschnitt 185 des porösen Mediums 105. Wie in 6A zu erkennen ist, ist das poröse Material von dem Boden 182 beabstandet, so dass ein Bypass-Pfad existiert.
6B zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Beispiels von Fluidikstrukturen, bei denen ein poröses Material als aktive Festphase auf einem Boden 182 einer Fluidkammer 104 fixiert ist. 6C zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Fluidikstrukturen von 6B. Zur Lenkung eines Stroms der Flüssigkeit 106 auf den Kammerboden 182 ist ein Führungskanal 190 vorgesehen, der in einer schräg zum Kammerboden hin verlaufenden Oberfläche 192 gebildet ist. Der Führungskanal 190 ist durch eine Einkerbung in der Oberfläche 192 gebildet. Der offene Kanal 190 führt den Flüssigkeitsstrom 106 aus dem Verbindungskanal 103 auf den Kammerboden 182 und somit auf das poröse Medium 105.
Bei alternativen Beispielen kann die aktive Festphase als poröse Partikel oder als eine Membran ausgebildet sein, durch die ein Abschnitt des zweiten Fluidbereichs von einem anderen Abschnitt des zweiten Fluidbereichs getrennt ist. Bei Beispielen kann der erste Fluidbereich eine erste Fluidkammer aufweisen und der zweite Fluidbereich eine zweite und eine dritte Fluidkammer, wobei die aktive Festphase durch poröse Partikel oder eine Membran gebildet ist, die die zweite Fluidkammer von der dritten Fluidkammer trennen. bzw. trennt. Bei Beispielen können eine oder mehrere der ersten, zweiten und dritten Fluidkammer mit einer Widerstandsstruktur versehen sein, um eine Funktionalität zu erreichen, wie sie hierin beschrieben ist.
Bei Beispielen kann die aktive Festphase in dem Verbindungskanal bzw. der Verbindungsstruktur, der bzw. die die erste und die zweite Fluidkammer verbindet, angeordnet sein.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung sind die Fluidikstrukturen derart ausgelegt, dass der Flüssigkeitsstrom aus dem Verbindungskanal mittig oder im Wesentlichen mittig auf den radial inneren Abschnitt des porösen Mediums trifft. Bei Beispielen kann der Verbindungskanal radial innerhalb des radial inneren Abschnitts des porösen Mediums angeordnet sein und demselben gegenüberliegen, um den Flüssigkeitsstrom auf diesen Abschnitt zu richten.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung enthält die Flüssigkeit, die durch/über die aktive Festphase geleitet wird, eine wässrige Phase. Bei Beispielen enthält die wässrige Phase einen Reaktionsmix für eine (bio-)chemische Interaktion an der aktiven Festphase. Diese Reaktion kann beispielsweise eine kovalente und nicht-kovalente (bio-)chemische Reaktion sein. Überdies kann die Flüssigkeit einen Analyten enthalten, der nachgewiesen werden soll, z. B. mit Nachweismolekülen oder Nachweispartikeln mit Affinitäts- oder Anbindungsstellen auf der Oberfläche. Zusätzlich kann die aktive Festphase mit Molekülen und oder Substanzen imprägniert sein, die beispielsweise Affinitäts- oder Anbindungsstellen darstellen, an welche Substanzen aus der Flüssigkeit anbinden können.
Bei Beispielen wird die aktive Festphase für kovalente und nicht-kovalente (bio-)chemische Reaktion verwendet, wobei die aktive Festphase mit reaktiven Komponenten, wie z.B. Biomolekülen, imprägniert sein kann. Bei Beispielen finden an der aktiven Festphase Oberflächenanbindungsreaktionen statt.
Bei Beispielen kann ein Auslesesystem, beispielsweise ein optisches Auslesesystem, vorgesehen sein, um das Ergebnis der Reaktion auszulesen. Hierzu können Teile des Fluidikmoduls elektrisch leitend und/oder das System für die Detektion durchlässig, z. B. transparent sein, um eine Auslese durch solche Teile zu ermöglichen. Zusätzlich kann bei Beispielen eine Temperierungseinrichtung vorgesehen sein, um die Temperatur des Fluidikmoduls bei Bedarf während des kompletten Prozesses kontrolliert einzustellen. Dies ermöglicht es beispielsweise, gleiche Anbindungsraten der Substanzen Fluidikmodulübergreifend zu realisieren.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird somit eine laterale Bewegung einer flüssigen Probe oder eines flüssigen Reagenzes entlang einer aktiven Festphase, die ein poröses Medium darstellen kann, das auch als poröse Trägermatrix bezeichnet werden kann, nach radial auswärts bewirkt, indem die flüssige Probe durch Drehen des Fluidikmoduls mit einer Zentrifugalkraft beaufschlagt wird. Dadurch ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung die Durchführung eines chromatographischen Immunoassays. Das poröse Medium kann eine offenporige Struktur mit einer mittleren Porengröße im Bereich von 0.05 bis 250 Mikrometern und eine Dicke in einem Bereich von 0,01 bis 5 mm aufweisen. Das poröse Material kann ein offenporiges gesintertes Material, offenporiges Polymer, offenporiges Keramikmaterial, offenporigen polymeren Schaum, offenporigen Verbundwerkstoff, Natur- oder Kunstfaserstoff oder eine vernetzte Beadschüttung aufweisen.
7 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Beispiels einer Vorrichtung zum Leiten einer Flüssigkeit durch/über eine aktive Festphase, die ein zentrifugal-mikrofluidisches System darstellt. Die Vorrichtung weist ein Fluidikmodul 220 auf, das als ein Rotationskörper ausgebildet ist. Alternativ weist die Vorrichtung ein oder mehrere Fluidmodule 210 auf, die in einen Rotationskörper 220 eingesetzt sind, wie in gestrichelten Linien in 7 angedeutet ist. In dem Fluidikmodul 210 oder 220 können Fluidikstrukturen wie sie hierin beschrieben sind, gebildet sein. Das Fluidikmodul kann beispielsweise ein Substrat und einen Deckel aufweisen. Der Rotationskörper 220 kann kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 220 über eine übliche Befestigungseinrichtung an einem drehbaren Teil 222 einer Antriebsvorrichtung 224 angebracht sein kann. Das drehbare Teil 222 ist drehbar an einem stationären Teil 226 der Antriebsvorrichtung 224 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 224 kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge, die eine einstellbare Drehgeschwindigkeit aufweisen kann jedoch nicht muss, oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 230 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 224 zu steuern, um den Rotationskörper 220 mit einer Rotation konstanter Rotationsgeschwindigkeit oder mit Rotationen unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 230 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 230 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 224 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 230 konfiguriert sein, um die Antriebsvorrichtung 224 zu steuern, um den Rotationskörper mit der erforderlichen Rotation zu beaufschlagen, um Beispiele der vorliegenden Offenbarung zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 224 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
Das Fluidikmodul 210 oder 220 weist die hierin beschriebenen Fluidikstrukturen auf, die durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel, dem Substrat oder in dem Substrat und dem Deckel gebildet sein können. Bei Beispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel gebildet sind. Bei Beispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Fluidikmodul aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 220 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden. Bei bevorzugten Beispielen können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper aus einem Thermoplast, wie z.B. PP (Polypropylen), PC, COP (Cyclic Olefin Polymer), COC (Cyclo Olefin Copolymer) oder PS (Polystyrol) gebildet sein.
Bei Beispielen kann die Vorrichtung ferner eine Temperierungseinrichtung 232 aufweisen, die ausgelegt ist, um die Temperatur des Fluidikmoduls zu steuern. Die Temperierungseinrichtung 232 kann, wie in 2 gezeigt ist, als eine externe Heizeinrichtung implementiert sein. Alternativ kann die Heizeinrichtung in das Fluidikmodul oder den Rotationskörper, der das Fluidikmodul trägt, integriert sein. Bei Beispielen kann die Vorrichtung ferner eine Erfassungseinrichtung 234 aufweisen, die ausgelegt ist, um ein Ergebnis einer Reaktion der Flüssigkeit mit der aktiven Festphase zu erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung 234 ausgelegt sein, um das Ergebnis der Reaktion optisch zu erfassen. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung durch eine Kamera implementiert sein. Bei Beispielen kann die Vorrichtung ferner eine Einrichtung 236 zum Erfassen einer Information über die Viskosität der Flüssigkeit aufweisen. Bei Beispielen kann die Einrichtung 236 ausgelegt sein, um eine Flussrate durch die jeweiligen Kanäle zu messen. Wie in 7 gezeigt ist, können die Temperierungseinrichtung 232 und die Einrichtungen 234 und 236 kommunikativ drahtgebunden oder drahtlos mit der Steuereinrichtung gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 230 kann ausgebildet sein, um die Erfassungsergebnisse der Einrichtungen 234 und 236 zu erhalten, basierend auf den Ergebnissen der Einrichtung 234 Informationen über das Reaktionsergebnis auszugeben oder anzuzeigen, und basierend auf den Ergebnissen der Einrichtung 236 die Antriebseinrichtung 224 zu steuern. Ferner kann die Steuereinrichtung die Temperierungseinrichtung 232 steuern, um die Temperatur des Fluidikmoduls auf eine vorbestimmte Temperatur zu steuern oder zu regeln. Zu diesem Zweck kann ferner ein Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur des Fluidikmoduls mit der Steuereinrichtung 230 gekoppelt sein.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit Vorrichtungen und Verfahren für die zentrifugale Mikrofluidik mit folgenden Merkmalen: einem ersten Fluidbereich, beispielsweise in Form einer ersten Kammer, mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass; einem zweiten Fluidbereich, beispielsweise in Form einer zweiten Kammer, mit einem Fluideinlass und einer aktiven Festphase; einem Verbindungskanal, der über den Fluidauslass des ersten Fluidbereichs mit dem Fluideinlass des zweiten Fluidbereichs verbunden ist; einem Widerstandskanal, der den zweiten Fluidbereich mit der Umgebung verbindet und/oder einem Widerstandskanal, der den ersten Fluidbereich mit der Umgebung verbindet, oder einem Widerstandskanal der den zweiten Fluidbereich mit dem ersten Fluidbereich verbindet, wobei durch Rotation der gesamten Vorrichtung eine die aktive Festphase benetzende Flüssigkeit zentrifugal durch den Verbindungskanal in die zweite Kammer treibbar ist, wobei die Flüssigkeit auf die aktive Festphase trifft, wobei der Widerstandskanal durch das Aufbauen eines pneumatischen Drucks in dem zweiten Fluidbereich und/oder dem ersten Fluidbereich die Flüssigkeitszufuhr über den Verbindungskanal in den zweiten Fluidbereich durch/über die aktive Festphase unabhängig von der Viskosität der Flüssigkeit definiert. Bei Beispielen ist die Flüssigkeit eine wässrige Phase, die einen Reaktionsmix für eine (bio-)chemische Interaktion an der aktiven Festphase darstellt.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann somit eine von der Viskosität des Prozessfluids unabhängige Flussrate durch einen Verbindungskanal in einen zweiten Fluidbereich realisiert werden, wobei die Flüssigkeit auf eine aktive Festphase trifft. Ist die aktive Festphase ein poröses Medium, kann wird der kontrollierte Fluss zum Durchströmen des porösen Mediums verwendet und kann so eingestellt werden, dass eine Umströmung des porösen Mediums bei Bedarf vermieden werden kann. Dabei wird die Flussrate nur über das zentrifugale System gesteuert und ist damit unabhängig von der Kapillarkraft des porösen Mediums, unabhängig von der Viskosität des Prozessfluids und gänzlich kontrollierbar über die extern regulierbare Drehfrequenz. Die Viskosität des Prozessfluids muss nicht im Vorfeld gemessen werden, um beispielsweise die Drehfrequenz anzupassen oder Additive zur Probe (Prozessflüssigkeit) hinzuzufügen. Ebenso hat die Kanalgeometrie des Verbindungskanals keinen Einfluss auf die Flussrate, solange deren fluidischer Widerstand deutlich kleiner ist als der der Widerstands-Struktur. Daraus resultiert ebenso eine Robustheit der Flussrate gegenüber kleineren, sich bildenden Gasblasen im Prozessfluid, die sich insbesondere bei erhöhten Temperaturen im Verbindungskanal bilden können. Durch die Verlagerung der Abhängigkeit der Flussrate des Prozessfluids auf die Viskosität des Sekundärfluids, kann durch die geschickte Wahl eines geeigneten Sekundärfluids, eine nahezu konstante Flussrate des Prozessfluids über einen größeren Temperaturbereich gewährleistet werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung eignen sich insbesondere für den Nachweis von (bio-)chemische Analyten, deren Probenmatrices eine unbekannt schwankende Viskosität aufweisen. Durch den zentrifugal kontrollierten Fluss können somit beispielsweise (bio)chemische Nachweise, die eine aktive Festphase als Substrat für Oberflächenanbindungsreaktionen nutzen und konstante Flussraten benötigen, wie beispielsweise Lateral Flow Assays, unabhängig von der Viskosität der Probe prozessiert werden. Somit kann ein Assay auch verschiedene Körperflüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität, wie etwa Speichel, Blut, Urin, mit dem beschriebenen Verfahren analysieren und eine Viskositätsanpassung, zum Beispiel durch Verdünnen, ist nicht notwendig und eine damit verbundene Verdünnung des Analyten vermieden werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung eignen sich für Anwendungen, bei denen die Integration einer aktiven Festphase in eine zentrifugale mikrofluidische Plattform mit anderen Operationen auf derselben zentrifugalen mikrofluidischen Plattform kombiniert wird. Bei Beispielen kann eine Blutplasmaseparation mit anschließender Aliquotierung und anschließender Verdünnung und anschließendem Mischen mit Komponenten zur Durchführung eines anschließendem Festphasen-Immunoassays mit minimalem Handhabungsaufwand und exaktem Probenvolumen realisiert werden. Wegen ihres großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses eignen sich insbesondere poröse Medien als aktive Festphase für die Oberflächenanbindungsreaktion.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit Verfahren und Vorrichtungen, bei denen die Flussrate eines Prozessfluids über ein nachfließendes oder entweichendes Sekundärfluid mit bekannter Viskosität eingestellt wird, um eine Viskositätsunabhängigkeit der Flussrate von dem Prozessfluid mit unbekannter Viskosität zu erreichen. Bei Beispielen wird ein viskositätsunabhängiger und über die Rotationsgeschwindigkeit vollständig kontrollierter Fluss einer die aktive Festphase benetzenden Flüssigkeit erreicht. Eine Robustheit der Flussrate gegenüber kleineren Gasblasen im Verbindungskanal, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, kann erreicht werden. Bei Beispielen ist die Flussrate des Prozessfluids nahezu temperaturunabhängig im für die Durchführung von Tests relevanten Bereich, wenn ein Sekundärfluid gewählt wird, dessen Viskosität kaum eine Temperaturabhängigkeit zeigt. Bei Beispielen wird die Flussrate durch/über die aktive Festphase nur über die Rotationsfrequenz in einen durch die Widerstands-Struktur gegebenen Bereich gesteuert, was ein präzises Einstellen der Flussrate auf ein konstantes Niveau ermöglicht, was ein akkurates Einstellen der Inkubationszeiten von (bio-)chemische Nachweisverfahren ermöglicht.
Unter den Ausdruck Flüssigkeit bzw. flüssigen Phase, wie er hierin verwendet wird, fallen, wie Fachleuten offensichtlich ist, insbesondere auch Flüssigkeiten, die Feststoffbestandteile beinhalten, wie z.B. Suspensionen, biologische Proben und Reagenzien.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung können insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Insbesondere können Beispiele der Offenbarung auf zentrifugal-mikrofluidischen Systemen Anwendung finden, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung „Lab-on-a-Disk“ bekannt sind.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zwecke der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.

Claims

Verfahren zum Leiten eines Flüssigkeitsflusses auf eine aktive Festphase (30, 105), mit folgenden Merkmalen: Drehen eines Fluidikmoduls (10, 210), um eine Flüssigkeit (22) zentrifugal durch einen Verbindungskanal (16, 103) aus einem ersten Fluidbereich (12) in einen zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) zu treiben, wobei dabei Sekundärfluid durch einen Zuflusskanal (18, 38, 47) in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt und Sekundärfluid durch einen Abflusskanal (20, 40, 49, 64) aus dem zweiten Fluidbereich abfließt (14, 54, 104), und wobei das Drehen mit einer solchen Drehfrequenz durchgeführt wird, dass ein Zustand erreicht wird, bei dem eine Flussrate eines Flusses der Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) durch eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Zuflusskanal (18, 38, 47) in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt, und/oder eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Abflusskanal (20, 40, 49, 64) aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) abfließt, begrenzt ist, wobei die aktive Festphase (30, 105) in dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) oder dem Verbindungskanal (16, 103) angeordnet ist und wobei die aktive Festphase (30, 105) durch den Fluss der Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) von der Flüssigkeit (22) durchströmt oder überströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Flusswiderstand des Abflusskanals (20, 40, 49, 64) für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22) ist, wobei in dem Zustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) abfließt, begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Flusswiderstand des Abflusskanals (20, 40, 49, 64) für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Flusswiderstand des Zuflusskanals (18, 38, 47) für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich (12) größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22) ist, wobei in dem Zustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt, begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Flusswiderstand des Zuflusskanals (18, 38, 47) für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich (12) mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Flusswiderstand des den Fluss der Flüssigkeit (22) begrenzenden Kanals von Zuflusskanal (18, 38, 47) und Abflusskanal (20, 40, 49, 64) für das jeweilige Sekundärfluid mindestens doppelt, dreimal, fünfmal oder zehnmal so groß ist wie der Flusswiderstand des anderen Kanals von Zuflusskanal (18, 38, 47) und Abflusskanal (20, 40, 49, 64).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Flusswiderstände des Zuflusskanals (18, 38, 47) für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich (12) und des Abflusskanals (20, 40, 49, 64) für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) in Summe größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22) sind, wobei in dem Zustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt und durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) abfließt, begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Summe der Flusswiderstände des Zuflusskanals (18, 38, 47) für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich (12) und des Abflusskanals (20, 40, 49, 64) für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abflusskanal (49) für den Fluss des Sekundärfluids aus dem zweiten Fluidbereich (14) und der Zuflusskanal (47) für den Fluss des Sekundärfluids in den ersten Fluidbereich (12) miteinander verbunden sind und einen Sekundärfluidkanal bilden, der den zweiten Fluidbereich (14) mit dem ersten Fluidbereich (12) verbindet und dessen Flusswiderstand für das Sekundärfluid größer als der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16) für den Fluss der Flüssigkeit (22) ist, wobei in dem Zustand die Flussrate, mit der die Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16) fließt, durch die Flussrate, mit der das Sekundärfluid durch den Sekundärfluidkanal von dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) in den ersten Fluidbereich (12) fließt, begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Flusswiderstand des Sekundärfluidkanals für den Fluss des Sekundärfluids mindestens 1,5-mal so groß, mindestens doppelt so groß, oder mindestens viermal so groß ist wie der Flusswiderstand des Verbindungskanals (16, 103) für den Fluss der Flüssigkeit (22).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der erste Fluidbereich (12), der zweite Fluidbereich (14, 54, 104), der Verbindungskanal (16, 103) und der Sekundärfluidkanal eine Fluidstruktur bilden, die nicht fluidisch mit der Umgebung verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Sekundärfluid Luft ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die aktive Festphase (30, 105) ein poröses Medium (105) ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem in dem Zustand ein Verhältnis der Flussrate durch den den Fluss der Flüssigkeit (22) begrenzenden Kanal von Zuflusskanal (18, 38, 47) und Abflusskanal (20, 40, 49, 64) zu einer maximal möglichen Flussrate der Flüssigkeit (22) durch das poröse Medium maximal 1 oder maximal 2 ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das poröse Medium bezüglich des Flusses seitlich zumindest teilweise von Wänden des zweiten Fluidbereichs (14, 54, 104) beabstandet ist, so dass eine fluidische Verbindung zwischen einem radial inneren Abschnitt des porösen Mediums und einem radial äußeren Abschnitt des porösen Mediums außerhalb des porösen Mediums existiert, die zwischen den Wänden und dem porösen Medium einen Bypass für einen Flüssigkeitsstrom nicht durch das poröse Medium darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die aktive Festphase (30, 105) eine Festphase für Oberflächenreaktionen aufweist, eine Festphase für Oberflächenanbindungsreaktionen aufweist, mit reaktiven Komponenten imprägniert ist, und/oder mit Biomolekülen imprägniert ist.
Vorrichtung, die ausgelegt ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchzuführen, mit folgenden Merkmalen: dem Fluidikmodul (10, 210), das Fluidikstrukturen aufweist, die den ersten Fluidbereich (12), den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104), den Verbindungskanal (16, 103), den Zuflusskanal (18, 38, 47) und den Abflusskanal (20, 40, 49, 64) bilden, wobei eine aktive Festphase (30, 105) in dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) oder dem Verbindungskanal (16, 103) angeordnet ist; und eine Antriebseinrichtung (224), die ausgebildet ist, um das Fluidikmodul (10, 210) zu drehen, um die Flüssigkeit (22) zentrifugal durch den Verbindungskanal (16, 103) aus dem ersten Fluidbereich (12) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) zu treiben, wobei Sekundärfluid durch den Zuflusskanal (18, 38, 47) in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt und Sekundärfluid durch den Abflusskanal (20, 40, 49, 64) aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) abfließt, wobei die Antriebseinrichtung (224) ausgebildet ist, um das Drehen mit einer solchen Drehfrequenz durchzuführen, dass der Zustand erreicht wird, bei dem eine Flussrate eines Flusses der Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) durch eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Zuflusskanal (18, 38, 47) in den ersten Fluidbereich (12) nachfließt, und/oder eine Flussrate eines Flusses, mit dem das Sekundärfluid durch den Abflusskanal (20, 40, 49, 64) aus dem zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) abfließt, begrenzt ist, wobei die aktive Festphase (30, 105) durch den Fluss der Flüssigkeit (22) durch den Verbindungskanal (16, 103) in den zweiten Fluidbereich (14, 54, 104) von der Flüssigkeit (22) durchströmt oder überströmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 17, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul (10, 210) mit einer gleichbleibenden Drehfrequenz zu drehen.