DE102020213471A1 - Processing device for processing a sample liquid, method for producing a processing device and method for operating a processing device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Prozessierungseinrichtung (10) zum Prozessieren einer Probenflüssigkeit, wobei die Prozessierungseinrichtung (10) ein Trägerelement (11) zum Tragen der Probenflüssigkeit aufweist. Das Trägerelement (11) weist zumindest eine Ausnehmung (110) auf. Weiterhin weist die Prozessierungseinrichtung (10) ein in der Ausnehmung (110) des Trägerelements (11) angeordnetes Prozessierungselement (12), das eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist, und ein Begrenzungselement (100) auf, das ausgebildet ist, um das Prozessierungselement (12) in der Ausnehmung (110) des Trägerelements (11) zu positionieren, um die Probenflüssigkeit zu prozessieren.The invention relates to a processing device (10) for processing a sample liquid, the processing device (10) having a carrier element (11) for carrying the sample liquid. The carrier element (11) has at least one recess (110). Furthermore, the processing device (10) has a processing element (12) which is arranged in the recess (110) of the carrier element (11) and has a hydrophilic surface finish, and a delimiting element (100) which is designed to surround the processing element (12) in to position the recess (110) of the carrier element (11) in order to process the sample liquid.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht von einer Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer Probenflüssigkeit, einem Verfahren zum Herstellen einer Prozessierungseinrichtung und einem Verfahren zum Betreiben einer Prozessierungseinrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a processing device for processing a sample liquid, a method for producing a processing device and a method for operating a processing device according to the species of the independent claims. The subject matter of the present invention is also a computer program.
Mikrofluidische Analysesysteme, sogenannte Lab-on-Chips (LoCs), erlauben ein automatisiertes, zuverlässiges, schnelles, kompaktes und kostengünstiges Prozessieren von Patientenproben für die medizinische Diagnostik. Durch die Kombination einer Vielzahl von Operationen für die kontrollierte Manipulation von Fluiden können komplexe molekulardiagnostische Testabläufe auf einer Lab-on-Chip-Kartusche durchgeführt werden.Microfluidic analysis systems, so-called lab-on-chips (LoCs), allow automated, reliable, fast, compact and cost-effective processing of patient samples for medical diagnostics. By combining a multitude of operations for the controlled manipulation of fluids, complex molecular diagnostic test sequences can be performed on a lab-on-chip cartridge.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer Probenflüssigkeit, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Prozessierungseinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Prozessierungseinrichtung, weiterhin eine verbesserte Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, an improved processing device for processing a sample liquid, an improved method for producing a processing device and an improved method for operating a processing device, an improved device that uses this method, and finally a corresponding computer program according to main claims presented. Advantageous developments and improvements of the device specified in the independent claim are possible as a result of the measures listed in the dependent claims.
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Möglichkeit geschaffen, um bei einer Prozessierungseinrichtung einen wirkenden Kapillareffekt weitestgehend zu verringern.The approach presented here creates a possibility of largely reducing an active capillary effect in a processing device.
Es wird eine Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer Probenflüssigkeit vorgestellt, wobei die Aufnahmeeinrichtung ein Trägerelement zum Tragen der Probenflüssigkeit aufweist. Das Trägerelement weist dabei zumindest eine Ausnehmung auf. Weiterhin weist die Prozessierungseinrichtung ein in der Ausnehmung des Trägerelements angeordnetes Prozessierungselement, das beispielsweise eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist, und zumindest ein Begrenzungselement auf, das ausgebildet ist, um das Prozessierungselement in der Ausnehmung des Trägerelements zu positionieren, um die Probenflüssigkeit beispielsweise zu prozessieren.A processing device for processing a sample liquid is presented, the receiving device having a carrier element for carrying the sample liquid. The carrier element has at least one recess. Furthermore, the processing device has a processing element which is arranged in the recess of the carrier element and has a hydrophilic surface finish, for example, and at least one delimiting element which is designed to position the processing element in the recess of the carrier element in order to process the sample liquid, for example.
Die Prozessierungseinrichtung kann beispielsweise in Verbindung mit einem mikrofluidischen Analysesystem verwendet werden und ausgebildet sein, um die Probenflüssigkeit, wie beispielsweise eine Patientenprobe im medizinischen Bereich, zu prozessieren. Weiterhin kann die Prozessierungseinrichtung beispielsweise als eine Einmal-Kartusche, wie beispielsweise einer Lab-on-Chip (LoC)-Kartusche realisiert sein. Die Ausnehmung kann beispielsweise als eine Vertiefung realisiert sein. Das Prozessierungselement ist vorteilhafterweise derart ausgeformt, dass es in die Ausnehmung passt.The processing device can be used, for example, in connection with a microfluidic analysis system and can be designed to process the sample liquid, such as a patient sample in the medical field. Furthermore, the processing device can be implemented, for example, as a disposable cartridge, such as a lab-on-chip (LoC) cartridge. The recess can be implemented as a depression, for example. The processing element is advantageously shaped in such a way that it fits into the recess.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Begrenzungselement in der Ausnehmung angeordnet sein und zusätzlich oder alternativ zumindest in die Ausnehmung hineinragen. Das bedeutet, dass das Begrenzungselement beispielsweise als ein einzelnes Bauteil ausgeformt sein kann, das in die Ausnehmung einsetzbar oder eingesetzt ist. Vorteilhafterweise kann dadurch eine genaue Positionierung des Prozessierungselements ermöglicht werden. According to one embodiment, the delimiting element can be arranged in the recess and additionally or alternatively at least protrude into the recess. This means that the delimiting element can be formed, for example, as a single component that can be inserted or inserted into the recess. This advantageously enables precise positioning of the processing element.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Begrenzungselement als Teil des Trägerelements ausgeformt sein. Dabei kann das Begrenzungselement einstückig mit dem Trägerelement ausgebildet sein und somit einen Abschnitt des Trägerelementes bilden. Vorteilhafterweise kann dadurch eine minimal vorliegende Spaltbreite zwischen dem Trägerelement und dem Prozessierungselement ermöglicht werden.According to one embodiment, the delimiting element can be formed as part of the carrier element. In this case, the delimiting element can be formed in one piece with the carrier element and thus form a section of the carrier element. Advantageously, a minimal existing gap width between the carrier element and the processing element can thereby be made possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Verbindungsmittel vorgesehen sein, das an einer Kontaktfläche zwischen dem Prozessierungselement und der Ausnehmung des Trägerelements anliegt. Vorteilhafterweise kann das Verbindungsmittel beispielsweise einen Klebstoff umfassen oder beispielsweise als Klebstoff ausgeformt sein. Ferner kann das Begrenzungselement in besonders vorteilhafter Weise ein „Schwimmen“ der Komponente/des Probenelements auf dem Bauteil/dem Trägerelement (welches zur Ausbildung von Kapillarspalten führen kann) verhindern, sofern das Verbindungsmittel noch nicht vollständig ausgehärtet ist.According to a further embodiment, a connecting means can be provided which bears against a contact surface between the processing element and the recess of the carrier element. The connecting means can advantageously comprise an adhesive, for example, or be in the form of an adhesive, for example. Furthermore, the limiting element can prevent the component/sample element from "floating" on the component/the carrier element (which can lead to the formation of capillary gaps) in a particularly advantageous manner if the connecting agent has not yet fully cured.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Begrenzungselement derart ausgeformt sein, um in montiertem Zustand einen Spalt zwischen einer Außenwand des Prozessierungselements und einer der Außenwand zugewandten Seitenwand der Ausnehmung sicherzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann das Begrenzungselement ausgeformt sein, um in montiertem Zustand zumindest einen weiteren Spalt zwischen einer weiteren Außenwand des Prozessierungselements und einer der weiteren Außenwand zugewandten weiteren Seitenwand der Ausnehmung sicherzustellen. Dabei können der Spalt und der weitere Spalt an einander gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmung angeordnet sein und innerhalb eines Toleranzbereichs gleich groß sein. Vorteilhafterweise kann das Prozessierungselement zentral in der Ausnehmung angeordnet sein, um beispielsweise einen Kapillareffekt auf ein Minimum zu reduzieren.According to one embodiment, the delimiting element can be formed in such a way that, in the installed state, there is a gap between an outer wall of the processing element and a side wall of the recess facing the outer wall. Additionally or alternatively, the delimiting element can be formed in order to ensure at least one further gap between a further outer wall of the processing element and a further side wall of the recess facing the further outer wall in the assembled state. In doing so, the gap and the further gap can be arranged on opposite sides of the recess and be of the same size within a tolerance range. The processing element can advantageously be arranged centrally in the recess in order to reduce a capillary effect to a minimum, for example.
Ferner kann der Spalt eine erste Spaltbreite aufweisen, die durchgängig gleich bleibt, oder zusätzlich zu der ersten Spaltbreite in Teilbereichen des Spalts eine zweite Spaltbreite aufweisen, die von der ersten Spaltbreite abweicht. Zusätzlich oder alternativ kann dabei der weitere Spalt eine dritte Spaltbreite aufweisen, die durchgängig gleich bleibt, oder zusätzlich zu der dritten Spaltbreite in Teilbereichen des weiteren Spalts eine vierte Spaltbreite aufweisen, die von der dritten Spaltbreite abweicht. Vorteilhafterweise kann der Spalt und zusätzlich oder alternativ der weitere Spalt umlaufend um das Prozessierungselement angeordnet sein. Weiterhin kann der weitere Spalt zusätzlich oder optional als Erweiterung des Spaltes ausgeformt sein.Furthermore, the gap can have a first gap width that remains the same throughout, or in addition to the first gap width in partial areas of the gap can have a second gap width that differs from the first gap width. Additionally or alternatively, the further gap can have a third gap width that remains the same throughout, or in addition to the third gap width in partial areas of the further gap can have a fourth gap width that differs from the third gap width. Advantageously, the gap and additionally or alternatively the further gap can be arranged circumferentially around the processing element. Furthermore, the further gap can be formed additionally or optionally as an extension of the gap.
Gemäß einer Ausführungsform können eine Trägeroberfläche des Trägerelements und eine Oberfläche des Prozessierungselements auf einer Ebene liegen. Vorteilhafterweise liegen die Trägeroberfläche und die Oberfläche des Prozessierungselements innerhalb eines Toleranzbereichs auf der einen Ebene.According to one embodiment, a carrier surface of the carrier element and a surface of the processing element can lie on one plane. Advantageously, the carrier surface and the surface of the processing element are within a tolerance range on the one plane.
Die Prozessierungseinrichtung kann weiterhin ein Deckelelement mit zumindest einem Kanal und einer Flusszelle aufweisen, wobei der Kanal ausgebildet sein kann, um die Probenflüssigkeit in die Flusszelle oder aus der Flusszelle zu leiten und die Flusszelle ausgebildet sein kann, um die Probenflüssigkeit mit dem Prozessierungselement in Kontakt zu bringen. Vorteilhafterweise ist dabei eine Breite der Flusszelle größer als eine Breite des Kanals. Weiterhin kann die Flusszelle beispielsweise ausgebildet sein, um eine mikrofluidische Prozessierung zu bewirken.The processing device can also have a cover element with at least one channel and a flow cell, wherein the channel can be designed to direct the sample liquid into or out of the flow cell and the flow cell can be designed to bring the sample liquid into contact with the processing element bring. A width of the flow cell is advantageously greater than a width of the channel. Furthermore, the flow cell can be designed, for example, to effect microfluidic processing.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Prozessierungseinrichtung zumindest ein weiteres Begrenzungselement aufweisen, das ausgebildet ist, um das Prozessierungselement in der Ausnehmung des Trägerelements zu positionieren. Das weitere Begrenzungselement kann beispielsweise benachbart zu dem Begrenzungselement oder an einer gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung angeordnet sein.According to one embodiment, the processing device can have at least one further delimiting element, which is designed to position the processing element in the recess of the carrier element. The further delimiting element can be arranged, for example, adjacent to the delimiting element or on an opposite side of the recess.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Prozessierungseinrichtung in einer der zuvor genannten Varianten vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens und einen Schritt des Positionierens umfasst. Im Schritt des Bereitstellens wird das Trägerelementes mit der Ausnehmung bereitgestellt, in der das Begrenzungselement angeordnet ist. Im Schritt des Positionierens wird das Prozessierungselement in der Ausnehmung positioniert.Furthermore, a method for producing a processing device in one of the aforementioned variants is presented, the method comprising a step of providing and a step of positioning. In the providing step, the carrier element is provided with the recess in which the delimiting element is arranged. In the positioning step, the processing element is positioned in the recess.
Durch das Verfahren kann beispielsweise eine Prozessierungseinrichtung in einer zuvor genannten Variante hergestellt werden. Beispielsweise kann das Verbindungsmittel in dem Verfahren weiterhin ausgehärtet werden.The method can be used, for example, to produce a processing device in an aforementioned variant. For example, the connecting means can be further cured in the method.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens ein Verbindungsmittel in das Trägerelement eingebracht werden, und zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Einbringens das zumindest eine Begrenzungselement in das Trägerelement eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann das Verbindungsmittel das Prozessierungselement sicher an einem gewünschten Ort fixieren.According to one embodiment, a connecting means can be introduced into the carrier element in the providing step, and additionally or alternatively the at least one delimiting element can be inserted into the carrier element in the introduction step. The connecting means can advantageously fix the processing element securely at a desired location.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Prozessierungseinrichtung in einer der zuvor genannten Varianten vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Zuführens einer Probenflüssigkeit in die Prozessierungseinrichtung zum in Kontakttreten der Probenflüssigkeit mit dem Trägerelement und zusätzlich oder alternativ zum in Kontakttreten der Probenflüssigkeit mit dem Prozessierungselement umfasst.Furthermore, a method for operating a processing device in one of the aforementioned variants is presented, the method comprising a step of feeding a sample liquid into the processing device for the sample liquid to come into contact with the carrier element and additionally or alternatively for the sample liquid to come into contact with the processing element.
Vorteilhafterweise kann dadurch die Probenflüssigkeit analysiert werden.The sample liquid can advantageously be analyzed in this way.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines der hier vorgestellten Verfahren in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of one of the methods presented here in corresponding devices. The object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by this embodiment variant of the invention in the form of a device.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that are embedded in a communication protocol. The computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, with the memory unit a Flash memory, an EEPROM or a magnetic storage device. The communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read in or output wire-bound data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it to a corresponding data transmission line.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and, depending thereon, outputs control and/or data signals. The device can have an interface that can be configured as hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible for the interfaces to be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components. In the case of a software design, the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.A computer program product or computer program with program code, which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and/or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous used, especially when the program product or program is run on a computer or device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Darstellung einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Darstellung einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Prozessierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
8 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
9 Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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1 a schematic representation of a processing device according to an embodiment; -
2 a schematic cross-sectional view of a processing device according to an embodiment; -
3 a schematic representation of a processing device according to an embodiment; -
4 a schematic cross-sectional view of a processing device according to an embodiment; -
5 a schematic representation of a processing device according to an embodiment; -
6 a flowchart of a method for producing a processing device according to an embodiment; -
7 a flowchart of a method for operating a processing device according to an embodiment; and -
8th a block diagram of a device according to an embodiment; and -
9 Block diagram of a device according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference symbols are used for the elements which are shown in the various figures and have a similar effect, with a repeated description of these elements being dispensed with.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 110 viereckig, insbesondere quadratisch ausgeformt. Das Prozessierungselement 12 weist dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel verkleinert die gleiche Form auf wie die Ausnehmung 110, sodass ein Spalt 30 zwischen einer Außenwand 500 des Prozessierungselements 12 und einer der Außenwand 500 zugewandten Seitenwand 505 der Ausnehmung 110 ausgeformt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Prozessierungseinrichtung 10 zumindest einen weiteren Spalt 510 auf, der dem Spalt 30 gegenüberliegt und demnach zwischen einer weiteren Außenwand 515 des Prozessierungselements 12 und einer der weiteren Außenwand 515 zugewandten weiteren Seitenwand 520 der Ausnehmung 110 angeordnet ist. Das bedeutet, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Spalte 30, 510 gleichartig ausgeformt sind, jedoch einander gegenüberliegend angeordnet sind.According to this exemplary embodiment, the
Das Begrenzungselement 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in der Ausnehmung angeordnet und/oder ist gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel derart ausgeformt, dass es in die Ausnehmung hineinragt. Das Begrenzungselement 100 ist weiterhin derart ausgeformt, um den Spalt 30 mit einer vorgegebenen minimalen Breite 101 beispielsweise innerhalb eines Bereichs zwischen 200 µm bis 1000 µm, insbesondere von hier beispielsweise 500 µm und/oder um den zumindest einen weiteren Spalt 510 mit einer vorgegebenen minimalen Breite 101 beispielsweise innerhalb eines Bereichs zwischen 200 µm bis 1000 µm, insbesondere von hier beispielsweise 500 µm sicherzustellen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Spalt 30 und der weitere Spalt 510 innerhalb eines Toleranzbereichs gleich groß ausgeformt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Prozessierungseinrichtung 10 weiterhin optional zumindest ein weiteres Begrenzungselement 525 auf, das beispielsweise die gleichen Eigenschaften aufweist wie das Begrenzungselement 100. Die beiden Begrenzungselemente 100, 525 sind beispielsweise in den Spalten 30, 510 und/oder benachbart zueinander angeordnet oder anordbar. Insbesondere weist die Prozessierungseinrichtung 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel insgesamt acht Begrenzungselemente 100, 525 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Prozessierungseinrichtung 10 also eine Mehrzahl von Begrenzungselementen 100, 525 auf. Wie auch das Begrenzungselement 100 ist auch das weitere Begrenzungselement 525 ausgebildet, um das Prozessierungselement 12 in der Ausnehmung 110 zu positionieren. Durch eine entsprechende Anordnung der Begrenzungselemente 100, 525 wird eine zentrale Positionierung des Prozessierungselements 12 in der Ausnehmung 110 ermöglicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen die Begrenzungselemente 100, 525 eine vorgegebene minimale Breite 101 beispielsweise innerhalb eines Bereichs zwischen 200 µm bis 1000 µm, insbesondere von hier beispielsweise 500 µm auf, durch die eine nachteilige Kapillarwirkung in den Spalten 30, 510 vermieden oder zumindest reduziert wird.According to this exemplary embodiment, the delimiting
Mikrofluidische Analysesysteme, sogenannte Lab-on-Chips (LoCs), erlauben im Allgemeinen ein automatisiertes, zuverlässiges, schnelles, kompaktes und kostengünstiges Prozessieren von beispielsweise Patientenproben für die medizinische Diagnostik. Durch eine Kombination einer Vielzahl von Operationen für die kontrollierte Manipulation von Fluiden werden molekulardiagnostische Testabläufe auf einer Lab-on-Chip-Kartusche durchgeführt. LoC-Kartuschen, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Prozessierungseinrichtung 10 bezeichnet sind, werden beispielsweise kostengünstig aus Polymeren unter Verwendung von beispielsweise Hochdurchsatzverfahren wie Spritzgießen oder Laserdurchstrahlschweißen hergestellt. Um eine Leistungsfähigkeit von beispielsweise polymerbasierten Lab-on-Chip-Systemen beispielsweise hinsichtlich der untersuchbaren minimalen Reaktionsvolumina und/oder einer Anzahl von auf der Prozessierungseinrichtung 10 unabhängig voneinander durchführbaren Nachweisreaktionen zu steigern, bietet sich insbesondere eine Integration von mikrostrukturierten Komponenten, beispielsweise auf Grundlage von Silizium, in die Polymerumgebung zur Bildung einer vorteilhaften Prozessierungseinrichtung 10 an. Bei der Integration einer solchen Komponente, die hier als Prozessierungselement 12 bezeichnet ist, liegt insbesondere eine mikrofluidische Schnittstelle für einen Fluidtransfer zwischen der Polymerumgebung und dem Prozessierungselement 12 vor. Von besonderer Bedeutung für die mikrofluidische Funktionalität des Hybrid-Systems ist dabei insbesondere die Ausgestaltung der mikrofluidischen Schnittstelle.Microfluidic analysis systems, so-called lab-on-chips (LoCs), generally allow automated, reliable, fast, compact and cost-effective processing of, for example, patient samples for medical diagnostics. Through a combination of multiple operations for the controlled manipulation of fluids, molecular diagnostic test procedures are performed on a lab-on-chip cartridge. LoC cartridges, which are referred to as
Für eine einfache Fertigbarkeit der Prozessierungseinrichtung 10 bietet sich eine Integration des Prozessierungselements 12 in die dafür vorgesehene Ausnehmung 110 in wenigstens einem Polymerbauteil an, das hier als Trägerelement 11 bezeichnet ist. Durch den hier vorgestellten Ansatz werden beispielsweise durch Fertigungstoleranzen bedingt räumlich inhomogen wirkende Kapillarkräfte bei der Befüllung des zumindest einen Spalts 30, 510 mit der Probenflüssigkeit vermieden. Insbesondere wird eine Ausbildung eines Kapillarspalts (sehr geringer Breite) mittels eines auch als Begrenzungselement 100, 525 bezeichneten Kapillarspaltbegrenzers vermieden, welcher zu einem unerwünschten räumlich inhomogenen Benetzen der mikrofluidischen Struktur führen kann.For easy manufacturability of the
Zusammenfassend wird die Prozessierungseinrichtung 10 vorgestellt, welche einerseits eine einfache Fertigbarkeit und Integration von Komponenten in eine aus einem Polymer kostengünstig gefertigte mikrofluidische Umgebung erlaubt und andererseits eine Ausbildung von - die mikrofluidische Funktionalität gegebenenfalls in nachteiliger Weise beeinträchtigenden - Kapillarspalten verhindert.In summary, the
Der hier vorgestellte Ansatz verhindert weiterhin eine asymmetrische Platzierung des Prozessierungselements 12 in der Ausnehmung 110 und somit - bei einem in Kontakt bringen der Prozessierungseinrichtung 10 mit der Probenflüssigkeit - eine räumlich inhomogene Benetzung des Prozessierungselements 12, da die an einer Seite mit geringer Spaltbreite auftretenden Kapillarkräfte wesentlich höher sind als beispielsweise die an einer Seite mit größerer Spaltbreite auftretenden Kapillarkräfte. Durch den hier vorgestellten Ansatz wird daher die Prozessierungseinrichtung 10 vorgestellt, welche eine Ausbildung von unterschiedlichen Spaltbreiten bei der Implementierung des Prozessierungselements 12 in die Ausnehmung 110 des Trägerelements 11 begrenzt.The approach presented here also prevents asymmetrical placement of the
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine mikrofluidische Prozessierungseinrichtung 10 bereitgestellt, welche eine Ausbildung von Kapillarspalten bei der Integration eines mikrofluidischen Prozessierungselements 12 in das Trägerelement 11 verhindert. Insbesondere sind bei der Fertigung der Prozessierungseinrichtung 10 Toleranzen zulässig, ohne dass sich diese in kritischer Weise auf die mikrofluidische Funktionalität der Prozessierungseinrichtung 10 auswirken. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Prozessierungseinrichtung 10 zumindest ein Begrenzungselement 100, 525 auf, das auch als Kapillarspaltbegrenzer bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel um ein strukturelles Element, welches die zwischen zwei Bauteilen der Prozessierungseinrichtung 10 vorliegenden Spalte 30, 510 auf ein Mindestmaß begrenzt, um die bei einer mikrofluidischen Prozessierung dort auftretenden Kapillarkräfte zu begrenzen. Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine Größe der auf eine in einem der Spalte 30, 510 befindliche oder der in einen Spalt 30, 510 eintretenden Flüssigkeit wirkenden Kapillarkräfte und die daraus möglicherweise resultierenden kapillar induzierten Flussgeschwindigkeiten mit der Spaltbreite korrelieren, wobei die Kapillarkräfte im Allgemeinen umso größer sind, je kleiner die Breite des Spaltes 30, 510 ist.The approach presented here provides a
Durch die Verwendung eines Begrenzungselements 100, 525 ist eine besonders einfache, effiziente und kostengünstige Fertigbarkeit der Prozessierungseinrichtung 10 gegeben. Insbesondere sind beispielsweise fertigungsbedingte Toleranzen bei einer Implementierung des Prozessierungselements 12 in die Ausnehmung 110 akzeptabel und zudem wird die mikrofluidische Funktionalität der Prozessierungseinrichtung 10 sichergestellt. The use of a delimiting
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Trägerelement 11 beispielsweise aus vornehmlich Polymeren, wie beispielsweise Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP, COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastischen Elastomeren (TPE), wie Polyurethan (TPU) oder Styrol-Blockcopolymer (TPS), gefertigt. Das Trägerelement 11 ist beispielsweise mittels eines Hochdurchsatzverfahrens, wie beispielsweise Spritzgießen, Thermoformen, Stanzen und/oder Laserdurchstrahlschweißen, realisierbar. Das Prozessierungselement 12 ist beispielsweise aus Silizium, Glas, Metall oder einem Polymer, insbesondere mit einer hydrophilen Oberflächenbeschaffenheit, ausgeformt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der zu prozessierenden Flüssigkeit um beispielsweise eine wässrige Lösung. Optional kann die wässrige Lösung auch in Kombination beispielsweise mit einem Mineralöl, Silikonöl und/oder einem fluorierten Kohlenwasserstoff eingesetzt werden.According to this exemplary embodiment, the
Die Ausnehmung 110 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel Maße von beispielsweise 3 × 3 × 0,1 mm3 bis 30 × 30 × 10 mm3, bevorzugt jedoch von 5 × 5 × 0,3 mm3 bis 10 × 10 × 3 mm3. Weiterhin optional weist das Prozessierungselement 12 Abmessungen von beispielsweise 3 × 3 × 0,1 mm3 bis 30 × 30 × 10 mm3, bevorzugt 5 × 5 × 0,3 mm3 bis 10 × 10 × 3 mm3 auf. Der Spalt 30, 510 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine minimale Spaltbreite, insbesondere ohne Verwendung der Begrenzungselemente 100, 525, von < 10 µm auf. Bei einer Verwendung der Begrenzungselemente 100, 525 weist der Spalt 30, 510 eine minimale Abmessung von 200 µm bis 1000 µm auf.According to this exemplary embodiment, the
Beispielsweise setzt sich gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Positionierungstoleranz des Prozessierungselements 12 in der Ausnehmung 110 des Trägerelements 11 ohne Verwendung von Begrenzungselementen 100, 525 wie folgt zusammen:
- Eine mittlere Spaltbreite setzt sich dabei beispielsweise aus der Hälfte der Differenz von der Außenabmessung des Prozessierungselements 12 und der Abmessung der
Ausnehmung 110 zusammen.Für ein Prozessierungselement 12 mit beispielsweise einer lateralen Abmessung von 9 mm × 9 mm und einerAusnehmung 110 mit einerlateralen Abmessung von 10 × 10 mm ergibt sich beispielsweise eine beidseitige Positionierungstoleranz von 1 mm. Eine Positionierungstoleranz des Prozessierungselements 12 inder Ausnehmung 110 des Trägerelements 11 mit 100, 525 setzt sich dagegen folgendermaßen zusammen:Verwendung von Begrenzungselementen - Eine mittlere Spaltbreite setzt sich beispielsweise aus der Hälfte der Differenz von der Außenabmessung des Prozessierungselements 12 und der Abmessung der
Ausnehmung 110 minus der Breite der 100, 525 beispielsweise bei beidseitiger Ausführung zusammen.Begrenzungselemente Für das Prozessierungselement 12 mit einer lateralen Abmessung von 9 mm × 9 mm und einerAusnehmung 110 mit einer Abmessung von beispielsweise 10 mm × 10 100, 525 mit einer lateralen Abmessung von 0,8 mm × 0,8 mm gemäß diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich beispielsweise eine beidseitige Positionierungstoleranz von 0,2 mm.mm und Begrenzungselementen
- Eine mittlere Spaltbreite setzt sich beispielsweise aus der Hälfte der Differenz von der Außenabmessung des Prozessierungselements 12 und der Abmessung der
- A mean gap width is composed here, for example, of half the difference between the external dimensions of the
processing element 12 and the dimensions of therecess 110 . For example, aprocessing element 12 with a lateral dimension of 9 mm×9 mm and arecess 110 with a lateral dimension of 10×10 mm results in a positioning tolerance on both sides of 1 mm. In contrast, a positioning tolerance of theprocessing element 12 in therecess 110 of thecarrier element 11 with the use of delimiting 100, 525 is made up as follows:elements - A mean gap width is made up, for example, of half the difference between the external dimensions of the
processing element 12 and the dimensions of therecess 110 minus the width of the delimiting 100, 525, for example in the case of a two-sided design. For theelements processing element 12 with a lateral dimension of 9 mm×9 mm and arecess 110 with a dimension of for example 10 mm×10 mm and delimiting 100, 525 with a lateral dimension of 0.8 mm×0.8 mm according to this exemplary embodiment the result is, for example, a positioning tolerance on both sides of 0.2 mm.elements
- A mean gap width is made up, for example, of half the difference between the external dimensions of the
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt lediglich optional eine lateral räumliche Toleranz bei der Platzierung des Prozessierungselements 12 in der Ausnehmung 110 durch beispielsweise einen Bestückungsautomat 5 µm bis 50 µm.According to this exemplary embodiment, a lateral spatial tolerance when placing the
Die Spalte 30, 510 weisen ferner eine Spaltbreite auf, die größer ist als die Breite 101. Eine Höhe 102 der Begrenzungselemente 100, 525 fällt dabei kleiner aus als eine Dicke des Trägerelements 11 und/oder des Prozessierungselements 12, sodass die Ebene 610 oberhalb einer Oberkante zumindest eines Begrenzungselements 100, 525 liegt.The
In anderen Worten ausgedrückt sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch die Verwendung eines Begrenzungselements 100, 525 Materialien mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften für eine Verwendung in einem mikrofluidischen System miteinander kombinierbar. Beispielsweise ist das Prozessierungselement 12 mit einer sehr hydrophilen Oberflächenbeschaffenheit in ein Polymerbauteil, das bedeutet in das Trägerelement 11, mit einer nur schwach hydrophilen oder hydrophoben Oberflächenbeschaffenheit integrierbar. Dabei unterbindet oder schwächt das Begrenzungselement 100, 525 eine Ausbildung von Kapillarspalten und damit ein durch die besonders hydrophile Oberflächenbeschaffenheit des Prozessierungselements 12 induziertes Benetzen der Spalte 30, 510 mit einer wässrigen Phase hinreichend ab, sodass die gewünschte mikrofluidische Funktionalität der Prozessierungseinrichtung 10 nicht oder möglichst wenig beeinträchtigt wird.In other words, according to this exemplary embodiment, through the use of a delimiting
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird durch die Verwendung von Begrenzungselementen 100, 525 ein einfacheres Design von mikrofluidischen Strukturen ermöglicht, da die an den vorliegenden Spalten 30, 510 auftretenden Kapillarkräfte begrenzt werden und dadurch eine geringere Auswirkung auf die mikrofluidischen Funktionalität der Struktur haben. Weiterhin wird dadurch eine Sicherstellung der Funktionalität unter Berücksichtigung von fertigungsbedingten Toleranzen erlaubt. Insgesamt kann so eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Systeme sichergestellt werden.According to one embodiment, the use of delimiting
Zusammenfassend weisen die Begrenzungselemente 100, 525 eine möglichst geringe Höhe 102 auf, welche unterhalb der vertikalen Dimension der Ausnehmung 110, das bedeutet unterhalb der Ebene 610, liegt. Auf diese Weise liegt nur eine möglichst kleine Verringerung einer Querschnittsfläche des und/oder der Spalte 30, 510 aufgrund der Begrenzungselemente 100, 525 vor. Andererseits wird auch die Spaltfläche minimiert, welche zwischen dem Prozessierungselement 12 und den Begrenzungselementen 100, 525 vorliegt. Dadurch hat dieser Spaltbereich einen möglichst geringen Einfluss auf die mikrofluidische Prozessierung in der Prozessierungseinrichtung 10.In summary, the delimiting
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in anderen Worten ausgedrückt in
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen das Trägerelement 11 und das Deckelelement 13 eine Größe auf, die zwischen 30 × 30 mm2 und 300 × 300 mm2, bevorzugt zwischen 50 × 50 mm2 und 200 × 100 mm2 liegt. Weiterhin weisen das Trägerelement 11 und das Deckelelement 13 eine Dicke auf, die zwischen 0,3 mm und 30 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 20 mm liegt. Der Kanal 130 weist beispielsweise einen Querschnitt von 100 × 100 µm2 bis 3 × 3 mm2, bevorzugt 300 × 300 µm2 bis 1 × 1 mm2 auf. Die Flusszelle 131, die auch als mikrofluidische Kammer bezeichnet wird, zur mikrofluidischen Prozessierung des Prozessierungselements 12 umfasst beispielsweise Maße von 3 × 3 × 0,1 mm3 bis 30 × 30 × 3 mm3, bevorzugt 3 × 3 × 0,3 mm3 bis 10 × 10 × 1 mm3. Die Flusszelle 131 weist weiterhin beispielsweise ein Volumen von ~1 µl bis ~3 ml, bevorzugt ~3 µl bis ~100 µl auf.According to this exemplary embodiment, the
In anderen Worten ausgedrückt wird eine Begrenzung von Kapillarspalten lokal durch die verschiedenartigen Spaltbreiten 800, 810, 815, 820 in dem Trägerelement 11 erreicht. Dementsprechend können die Begrenzungselemente 100, 525 optional neben einer Ausgestaltung in Form von Aufsätzen auf dem Trägerelement 11, wie sie in den
Für eine Sicherstellung der minimalen Spaltbreite entlang des gesamten Spaltes 30, 510 eignen sich insbesondere Begrenzungselemente 100, 525, wie sie in
Das bedeutet in anderen Worten ausgedrückt, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zunächst ein vorzugsweise lichthärtender und flüssigkeitsresistenter Klebstoff in die Ausnehmung dispensiert wird, bevor das Prozessierungselement in der Ausnehmung platziert wird. Das Platzieren wird lediglich optional mittels eines Bestückungsautomaten, wie beispielsweise durch einen Pick-and-Place-Roboter, bewirkt. Durch eine geeignete Auslegung der Ausnehmung im Trägerelement, des Prozessierungselements sowie des zumindest einen Begrenzungselements werden fertigungsbedingte Toleranzen beispielsweise bezüglich der Abmessungen des Prozessierungselements oder der Ausnehmung in dem Trägerelement oder beispielsweise bei der Platzierung des Prozessierungselements mit dem Bestückungsautomaten berücksichtigt. Anschließend wird beispielsweise das als Klebstoff bezeichnete Verbindungselement ausgehärtet. Auf diese Weise wird das Prozessierungselement in der Ausnehmung fixiert. Durch das Fixieren kann das Trägerelement mit dem Prozessierungselement beispielsweise im Zusammenhang mit einem Durchführen weiterer Fertigungsschritte, wie beispielsweise einem Laserverschweißen des Trägerelements mit einem Deckelelement zur Realisierung einer Prozessierungseinrichtung, gedreht werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Lageänderung des Prozessierungselements kommt.In other words, this means that according to this exemplary embodiment, a preferably light-curing and liquid-resistant adhesive is first dispensed into the recess before the processing element is placed in the recess. The placement is effected only optionally by means of an automatic placement machine, such as a pick-and-place robot. A suitable design of the recess in the carrier element, the processing element and the at least one delimiting element takes production-related tolerances into account, for example with regard to the dimensions of the processing element or the recess in the carrier element or, for example, when placing the processing element with the placement machine. Subsequently, for example, the connecting element referred to as an adhesive is cured. In this way, the processing element is fixed in the recess. By fixing, the carrier element can be rotated with the processing element, for example in connection with carrying out further manufacturing steps, such as laser welding the carrier element to a cover element to implement a processing device, without an undesirable change in position of the processing element occurring.
In anderen Worten ausgedrückt wird durch das Verfahren 1000 ein Einbringen der Probenflüssigkeit in die Prozessierungseinrichtung und ein in Kontakt treten der Probenflüssigkeit mit wenigstens einem der Bauteile ermöglicht. Weiterhin erfolgt ein in Kontakt treten der Probenflüssigkeit mit dem Prozessierungselement, wobei wenigstens ein Teilbereich des Spaltes zwischen dem Prozessierungselement und dem Trägerelement mit der Probenflüssigkeit benetzt wird.In other words, the
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 3000 ausgebildet, um verschiedenartige Aufbau- und Fertigungsvarianten durchzuführen und/oder anzusteuern. Beispielsweise wird eine Fixierung des Prozessierungselements in der Ausnehmung unter Verwendung eines niedrigviskosen flüssigen Klebstoffs erzielt, der auch als Verbindungsmittel bezeichnet wird. Dabei wird beispielsweise der flüssige Klebstoff zunächst in die Ausnehmung dispensiert. Anschließend erfolgt eine Platzierung, das bedeutet das Positionieren des Prozessierungselements in die Ausnehmung des Trägerelements und daraufhin ein Aushärten des Klebstoffs. Durch das Begrenzungselement wird ein Verrutschen, das auch als „Schwimmen“ bezeichnet wird, des Prozessierungselements auf der Schicht aus flüssigem Klebstoff in hinreichendem Maße unterbunden, insbesondere in der Art und Weise, dass sich an keiner Seite des Prozessierungselements ein durchgängiger Spalt zu dem Trägerelement ausbildet.According to this exemplary embodiment, the
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an embodiment includes an "and/or" link between a first feature and a second feature, this should be read in such a way that the embodiment according to one embodiment includes both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only that having the first feature or only the second feature.
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