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Die Erfindung betrifft ein System, das aus einem Centrifugal Microfluidic Biochip mit einem zur Aufnahme einer Flüssigkeit eingerichteten temperierbaren ersten Hohlraum, einem zweiten Hohlraum, der zur Aufnahme von aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum gepumpter Flüssigkeit eingerichtet ist, und einer den ersten Hohlraum mit dem zweiten Hohlraum verbindenden flüssigkeitsführenden Leitung, und einer Zentrifuge mit einer den Centrifugal Microfluidic Biochip aufnehmenden Aufnahme besteht. Daneben betrifft die Erfindung allgemein ein Verfahren zum Überführen einer von einem ersten Hohlraum eines Centrifugal Microfluidic Biochips aufgenommenen Flüssigkeit in einen zweiten Hohlraum des Centrifugal Microfluidic Biochips mittels einer den ersten Hohlraum mit dem zweiten Hohlraum verbindenden flüssigkeitsführenden Leitung.
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Centrifugal Microfluidic Biochips, auch als Centrifugal Microfluidic Bio-Disks oder zentrifugalmikrofluidische Testkartuschen bezeichnet, werden in der medizinischen Diagnostik im Rahmen von als Lab-on-a-Chip- bzw. Lab-on-a-Disk-Systemen verwendet. Diese weisen ein (mikro)fluidisches System auf, in das eine Probe eingegeben wird, die gemäß einem vorbestimmten Ablaufprotokoll mithilfe eines u.a. als Zentrifuge wirkenden Analysegeräts mit einer an die Bio-Disk angepassten Rotationseinrichtung automatisch prozessiert werden kann. Je nach der zu bearbeitenden Fragestellung werden auf dem Centrifugal Microfluidic Biochip entsprechende Reagenzien bereitgehalten werden, die unter anderem flüssig in Stickpacks, auch Sachet oder Siegelrandbeutel genannt, vorgehalten werden. Diese Stickpacks sind dabei so ausgebildet, dass sich diese bei Einwirken eines auf die Siegelnaht des Stickpacks unter Rotation des Centrifugal Microfluidic Biochip bewirkten Drucks und zusätzlichem Einwirken einer vorbestimmten Temperatur auf die Siegelnaht öffnen und den Inhalt in das fluidische System des Centrifugal Microfluidic Biochips freigeben.
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Zur Veranschaulichung ist der grundsätzliche Aufbau eines als kreisrunde Scheibe ausgebildeten Centrifugal Microfluidic Biochips nach dem Stand der Technik in 1 dargestellt. 1 zeigt insbesondere einen Centrifugal Microfluidic Biochip 100 mit einem temperierbaren, als Kammer ausgebildeten ersten Hohlraum 10, in dem ein ein Reagenz vorhaltender Stickpack 60 angeordnet ist. Der erste Hohlraum 10 ist mit einem ebenfalls als Kammer ausgebildeten zweiten Hohlraum 20 über eine die Hohlräume 10, 20 verbindende flüssigkeitsführende Leitung 30 verbunden, sodass bei geeigneten Prozessparametern, nämlich Drehfrequenz, Temperatur und Druck in dem ersten Hohlraum ein (nach innen gerichteter) Flüssigkeitstransport aus dem ersten Hohlraum10 in den zweiten Hohlraum 20 erfolgen kann.
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Ein besonderes Problem bei der Verwendung von Stickpacks besteht nun darin, dass sich diese nicht sekundengenau öffnen lassen, sodass der Zeitpunkt der Öffnung und somit das in der Stickpack-Kammer eingeschlossene Luftvolumen variiert. Daraus resultiert, dass der Druck, der die Menge der zu transportierenden Flüssigkeit, also das Reagenz bzw. die Reagenzien definiert, nicht genau vorherbestimmt werden kann und es dadurch häufig nicht, zumindest nicht in einem Schritt möglich ist, eine genau definierte Menge der Flüssigkeit bzw. des Reagenz kontrolliert von einem ersten Hohlraum in einen zweiten Hohlraum zu transportieren.
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In der Praxis werden für einen vollständigen Flüssigkeitstransport mehrere Zyklen von sequentiellem Heizen und Kühlen durchgeführt, um einen Druck für den Transport von Teilmengen der im Stickpack vorgehaltenen Flüssigkeit zu erreichen. Typischerweise erfolgt das Öffnen des Stickpacks bei einer Temperatur von >50 °C und einer Drehfrequenz von über 30 Hz, woraufhin die Drehfrequenz auf unter 30 Hz abgesenkt wird, um einen Flüssigkeitstransport aus dem ersten Hohlraum, also der ersten Kammer, in den zweiten Hohlraum, also die zweite Kammer, zu bewirken. Darauf erfolgt ein Kühlen des ersten Hohlraums, um Luft aus restlichem Fluidiksystem zu saugen, wobei auch das Fluid in der Stickpackkammer ausgast, sodass nachfolgend wieder ausreichend Druck zum Pumpen zur Verfügung steht und sich ein erneuter Heizvorgang anschließen kann. Da das jeweils pro Zyklus transportierte Volumen nicht bekannt ist, kann lediglich durch sehr zeitintensives Wiederholen mehrerer Zyklen sichergestellt werden, dass die gesamte Menge eines Stickpacks transportiert werden kann. Dieses ist insbesondere bei der Verwendung mehrerer Stickpacks problematisch.
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Sollen hingegen definierte Mengen transportiert werden, erfolgt vor dem erstem Pumpvorgang ein Abkühlen des ersten Hohlraums um notwendiges Luftvolumen anzusaugen und beim anschließenden Heizvorgang den notwendigen Druck für den Transportvorgang zu erzeugen. Dieser Mechanismus ist durch das bei der jeweiligen Temperatur maximale Luftvolumen des ersten Hohlraums limitiert.
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Beiden Ansätzen ist jedenfalls gemein, dass für den Flüssigkeitstransport zusätzlich zur eigentlichen Verarbeitung der Proben lange Prozessierungszeiten in Anspruch genommen und damit lange Wartezeiten hinsichtlich des erwarteten Analyseergebnisses verursacht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Flüssigkeitstransport innerhalb eines Centrifugal Microfluidic Biochips dahingehend zu verbessern, dass dieser definiert, vollständig und zügig erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das System mit den Merkmalen von Anspruch lund das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, zusätzlich zu dem in dem ersten Hohlraum vorhandenen Luftvolumen ein weiteres Luftvolumen in einem dritten Hohlraum vorzuhalten, das bei bzw. nach dessen Erwärmen insbesondere ausschließlich für den Transport einer Flüssigkeit aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum zur Verfügung steht. Wird insbesondere in dem ersten Hohlraum durch Rotation und Temperatureintrag ein Stickpack geöffnet, fungiert das in dem dritten Hohlraum vorgehaltene Gas als zusätzlicher Antrieb für den Flüssigkeitstransport. Diese Ausgestaltung erhöht die Effizienz des Flüssigkeitstransports unter gleichzeitiger Zeiteinsparung des mithilfe des Centrifugal Microfluidic Biochips durchzuführenden Verfahrens.
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Erfindungsgemäß wird also ein System bestehend aus einem Centrifugal Microfluidic Biochip mit einem zur Aufnahme einer Flüssigkeit eingerichteten temperierbaren ersten Hohlraum, einem zweiten Hohlraum, der zur Aufnahme von aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum gepumpter Flüssigkeit eingerichtet ist, und einer den ersten Hohlraum mit dem zweiten Hohlraum verbindenden flüssigkeitsführenden Leitung, einen mittels einer gasführenden Leitung mit dem ersten Hohlraum verbundenen, gasgefüllten dritten Hohlraum, der von dem ersten Hohlraum unabhängig temperierbar eingerichtet ist, einer den Durchlass von Gasen durch die gasführende Leitung steuernden, als Rückschlagventil oder als temperaturinstabiles Septum ausgebildeten Einrichtung und einer Zentrifuge mit einer den Centrifugal Microfluidic Biochip aufnehmenden Aufnahme, die wenigstens eine Einrichtung zur Temperierung der ersten Kammer des Centrifugal Microfluidic Biochips unabhängig von der dritten Kammer des Centrifugal Microfluidic Biochips aufweist, vorgeschlagen, wobei der Centrifugal Microfluidic Biochip ein elektrisch leitfähiges erstes Heizelement zur Temperierung des ersten Hohlraums und ein elektrisch leitfähiges zweites Heizelement zur Temperierung des dritten Hohlraums und die Zentrifuge wenigstens einen Magneten zum Erzeugen eines elektrischen Stroms im ersten Heizelement und im zweiten Heizelement aufweist.
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Der Centrifugal Microfluidic Biochip weist also einen zur Aufnahme einer Flüssigkeit eingerichteten temperierbaren ersten Hohlraum, einen zweiten Hohlraum, der zur Aufnahme von aus dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum gepumpter Flüssigkeit eingerichtet ist, eine den ersten Hohlraum mit dem zweiten Hohlraum verbindende flüssigkeitsführende Leitung und weiter einen mittels einer gasführenden Leitung mit dem ersten Hohlraum verbundenen, gasgefüllten dritten Hohlraum auf, der von dem ersten Hohlraum unabhängig temperierbar eingerichtet ist.
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Die unabhängig temperierbare Einrichtung des dritten Hohlraums wird vor allem dadurch erreicht, dass der dritte Hohlraum von dem ersten Hohlraum derart beabstandet angeordnet ist, dass ein Temperatureintrag im Bereich des ersten Hohlraums keinen oder einen nur unwesentlichen Temperaturanstieg (von beispielsweise maximal 5 °C) in dem dritten Hohlraum bewirkt. Der erste Hohlraum und der dritte Hohlraum sind hierfür bevorzugt in unterschiedlichen Sektoren eines bevorzugt als kreisrunde Scheibe ausgebildeten Centrifugal Microfluidic Biochip angeordnet und können alternativ oder zusätzlich bevorzugt in unterschiedlichen radialen Abschnitten des Biochips angeordnet sein. Weiter können zusätzlich zwischen dem ersten Hohlraum und dem dritten Hohlraum wärmeleitende Strukturen vorgesehen sein, die einen Wärmeeintrag von dem ersten Hohlraum in den dritten Hohlraum verhindern und von dem ersten Hohlraum ausstrahlende Wärme in einen Bereich des Centrifugal Microfluidic Biochips ableiten, in dem ein Temperaturanstieg unkritisch ist.
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Weiter kann der Centrifugal Microfluidic Biochip für einen unabhängig temperierbar eingerichteten dritten Hohlraum neben einem den ersten Hohlraum temperierenden Heizelement bevorzugt eine eigene Temperiereinrichtung in Form eines den dritten Hohlraum temperierenden Heizelements aufweisen. Das jeweilige Heizelement ist dabei als ein elektrisch leitfähiges Heizelement ausgebildet sein, das mit einem in der den Centrifugal Microfluidic Biochip antreibenden Zentrifuge angeordneten Magneten zum Erzeugen eines elektrischen Stroms im Heizelement zusammenwirkt, wie es im Prinzip in der
EP 3 549 673 A1 beschrieben ist.
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Jedenfalls ist der erste Hohlraum bevorzugt derart ausgebildet, dass dieser zur Aufnahme eines flüssigkeitsgefüllten Stickpacks eingerichtet ist. Bei dem Stickpack handelt es sich um einen in diesem Zusammenhang herkömmlich verwendeten Siegelrandbeutel, der wenigstens ein für das jeweilige Analyseverfahren erforderliches Reagenz vorhält. Dabei können der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum in jedem räumlichen Verhältnis zueinander stehen, sind jedoch bevorzugt im Verhältnis zum Drehpunkt des Biochips an sich gegenüberliegenden Positionen angeordnet, sodass hinsichtlich des Drehpunkts des Biochips - wie bekannt - ein nach innen gerichteter Flüssigkeitstransport erfolgt, der von der Temperatur, dem Druck im ersten Hohlraum, dem Druck im dritten Hohlraum und der Rotation des Biochips abhängig ist.
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Der dritte Hohlraum ist mit einem Gas, speziell mit Luft gefüllt und insbesondere blind endend ausgebildet, sodass der dritte Hohlraum ausschließlich mit dem ersten Hohlraum kommunizierend ausgebildet ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die gasführende Leitung den ersten Hohlraum mit einen dem Drehpunkt des Centrifugal Microfluidic Biochips nahen Abschnitt des dritten Hohlraums verbindet, wobei alternativ oder zusätzlich ebenfalls bevorzugt vorgesehen ist, dass die gasführende Leitung den dritten Hohlraum mit einen dem Drehpunkt des Centrifugal Microfluidic Biochips fernen Abschnitt des ersten Hohlraums verbindet.
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Speziell ist im Centrifugal Microfluidic Biochip eine den Durchlass von Gasen durch die gasführende Leitung steuernde Einrichtung vorgesehen sein, die als ein Rückschlagventil oder ein temperaturinstabiles Septum ausgebildet ist. Mittels der Einrichtung ist es zum einen möglich, einen Fluidtransport vom ersten Hohlraum in den dritten Hohlraum zu unterbinden. Mittels der Einrichtung ist es zum anderen aber auch möglich, die Kommunikation zwischen dem dritten Hohlraum und dem ersten Hohlraum erst zu einem vorbestimmten Zeitpunkt herzustellen, insbesondere nämlich erst nachdem das Stickpack aufgrund von Temperatureintrag und durch Rotation bewirktem Druck auf die Siegelnaht geöffnet worden ist. Hierfür kann insbesondere ein temperaturinstabiles Septum vorgesehen sein, dass bei Temperatureintrag bevorzugt in den ersten Hohlraum, höchst bevorzugt jedoch in den dritten Hohlraum zerfällt und die fluidale Kommunikation zwischen dem dritten Hohlraum und dem ersten Hohlraum herstellt.
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In jedem Fall wirkt das in dem dritten Hohlraum vorgehaltene Gas, das insbesondere als Luft vorliegt, als (zusätzliches) Treibmittel, das die in dem ersten Hohlraum vorgehaltene Flüssigkeit aus dem ersten Hohlraum austreibt und in den zweiten Hohlraum transportiert.
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Schließlich wird ein Verfahren zum Überführen einer von einem ersten Hohlraum eines Centrifugal Microfluidic Biochips aufgenommenen Flüssigkeit in einen zweiten Hohlraum des Centrifugal Microfluidic Biochips mittels einer den ersten Hohlraum mit dem zweiten Hohlraum verbindenden flüssigkeitsführenden Leitung vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist:
- a. Erzeugen eines vorbestimmten, die von dem ersten Hohlraum aufgenommene Flüssigkeit aus dem ersten Hohlraum durch die flüssigkeitsführende Leitung zum zweiten Hohlraum treibenden Gas- und/oder Dampfdrucks durch Temperieren des ersten Hohlraums auf eine erste vorbestimmte Temperatur bei gleichzeitigem Temperieren eines gasgefüllten dritten Hohlraums, der mittels einer gasführenden Leitung mit dem ersten Hohlraum verbunden ist, auf eine zweite vorbestimmte Temperatur, die geringer als die erste vorbestimmte Temperatur ist,
- b. Erzeugen eines vorbestimmten Gasdrucks in dem dritten Hohlraum durch Temperieren des dritten Hohlraums auf eine dritte vorbestimmte Temperatur, und
- c. Einwirken lassen des in dem dritten Hohlraum erzeugten Gasdrucks auf den Innenraum des ersten Hohlraums mittels der den dritten Hohlraum mit dem ersten Hohlraum verbindenden gasführenden Leitung und dadurch veranlasstes vollständiges Überführen der von dem ersten Hohlraum aufgenommenen Flüssigkeit aus dem ersten Hohlraum durch die flüssigkeitsführende Leitung in den zweiten Hohlraum.
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Das Verfahren wird bevorzugt unter Drehen des Centrifugal Microfluidic Biochips durchgeführt. Speziell erfolgt die Durchführung von Schritt a. unter Drehen des Centrifugal Microfluidic Biochips bei einer vorbestimmten ersten Drehfrequenz. Ebenso ist bevorzugt vorgesehen, dass Schritt b. und/oder Schritt c. unter Drehen des Centrifugal Microfluidic Biochips bei einer vorbestimmten zweiten Drehfrequenz erfolgt. Höchst bevorzugt ist in Kombination vorgesehen, dass die zweite Drehfrequenz niedriger als die erste Drehfrequenz ist.
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Weiter beinhaltet Schritt a. das Temperieren des dritten Hohlraums auf eine vorbestimmte Temperatur, die geringer als die erste vorbestimmte Temperatur ist.
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Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass Schritt b oder Schritt c das Einwirken auf eine den Durchlass von Gasen durch die gasführende Leitung steuernde Einrichtung beinhaltet, wodurch in dem dritten Hohlraum temperiertes Gas durch die gasführende Leitung in den ersten Hohlraum gelangt. Die Einrichtung ist beispielsweise als Ventil oder als temperaturinstabiles Siegel ausgebildet, wobei hinsichtlich deren konstruktiver Ausgestaltung auf die Beschreibung des Centrifugal Microfluidic Biochips des erfindungsgemäßen Systems verwiesen wird.
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Die Schritte a, b und c können gleichzeitig ablaufen - bevorzugt ist aber vorgesehen, dass die Schritte b und c erst im Anschluss an Schritt a durchlaufen werden.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stellt der Begriff Hohlraum einen Abschnitt des fluidischen Systems eines Centrifugal Microfluidic Biochips dar. So kann es sich bei den Hohlräumen um Kammern oder um Leitungen des fluidischen Systems handeln, die Abschnitte des fluidischen Systems miteinander verbinden. Insbesondere handelt es sich bei dem die Erfindung betreffenden ersten Hohlraum um eine flüssigkeitsführende Leitung oder um eine Kammer, wobei es sich bei dem zweiten Hohlraum um eine Kammer oder um eine flüssigkeitsführende Leitung handelt. Die die beiden Hohlräume, beispielsweise zwei Kammern oder eine Kammer und eine Leitung, miteinander verbindende flüssigkeitsführende Leitung muss dabei nicht zwingend eine bestimmte Länge aufweisen - vielmehr handelt es sich bei der die Hohlräume miteinander verbindenden flüssigkeitsführenden Leitung um einen Abschnitt, der einen Übergang vom ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum markiert.
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Dieses kann beispielsweise auch ein Durchbruch in einer Wandung des ersten Hohlraums sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 2 eine schematische Ansicht eines gemäß der Erfindung besonders bevorzugt ausgestalteten Centrifugal Microfluidic Biochips mit einem vom Centrifugal Microfluidic Biochip aufgenommenen Stickpack im Ausgangszustand;
- 3 eine schematische Ansicht des in 1 dargestellten Centrifugal Microfluidic Biochips nach Öffnen des von Centrifugal Microfluidic Biochip Stickpacks;
- 4 eine schematische Ansicht des zuvor dargestellten Centrifugal Microfluidic Biochips während des treibmittelgestützten Austreibens der aus dem Stickpack ausgetretenen Flüssigkeit aus dem als Stickpackkammer ausgebildeten ersten Hohlraum; und
- 5 eine schematische Ansicht des Centrifugal Microfluidic Biochips, bei dem die im Stickpack vorgehaltene Flüssigkeit vollständig in den zweiten Hohlraum überführt worden ist.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines gemäß der Erfindung besonders bevorzugt ausgestalteten Centrifugal Microfluidic Biochips mit einem vom Centrifugal Microfluidic Biochip aufgenommenen Stickpack im Ausgangszustand. Der als kreisrunde Scheibe ausgebildete Centrifugal Microfluidic Biochip 100 weist - wie bekannt - einen zur Aufnahme einer Flüssigkeit eingerichteten temperierbaren ersten Hohlraum 10 - im Folgenden erste Kammer 10 genannt - auf, der vorliegend als Stickpackkammer ausgebildet ist und ein eine Flüssigkeit bevorratenden Stickpack 60 aufnimmt. Weiter ist ein zweiter Hohlraum 20 - im Folgenden zweite Kammer 20 genannt - vorgesehen, der zur Aufnahme von aus der ersten Kammer 10 in die zweite Kammer 20 gepumpter Flüssigkeit eingerichtet ist, wobei eine flüssigkeitsführende Leitung 30 die erste Kammer 10 mit der zweiten Kammer 20 verbindet. Erfindungsgemäß weist der Centrifugal Microfluidic Biochip 100 weiter einen mittels einer gasführenden Leitung 40 mit der ersten Kammer 10 verbundenen, gasgefüllten dritten Hohlraum 50 - im Folgenden dritte Kammer 50 genannt - auf, der speziell mit Luft gefüllt und von der ersten Kammer 10 unabhängig temperierbar eingerichtet ist.
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Es ist weiter zu erkennen, dass die dritte Kammer 50 blind endend ausgebildet und der ersten Kammer 10 unmittelbar benachbart angeordnet ist. Die erste Kammer 10 und die zweite Kammer 20 hingegen sind im Verhältnis zum Drehpunkt des Biochips 10 an sich gegenüberliegenden Positionen angeordnet.
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Die gasführende Leitung 40 verbindet die erste Kammer 10 mit einen dem Drehpunkt des Centrifugal Microfluidic Biochips 10 nahen Abschnitt der dritten Kammer 50, wobei die gasführende Leitung 40 die dritte Kammer 50 mit einen dem Drehpunkt des Centrifugal Microfluidic Biochips 10 fernen Abschnitt der ersten Kammer 10 verbindet. Die gasführende Leitung 40 setzt also an der dritten Kammer 50 in einem Abschnitt an, der dem Drehpunkt des Centrifugal Microfluidic Biochips 10 nah ist, wobei der Abschnitt beginnend von dem dem Drehpunkt nächsten Punkt der dritten Kammer 50 maximal der Hälfte der radialen Erstreckung der dritten Kammer 50 entspricht. Hingegen setzt die gasführende Leitung 40 an der ersten Kammer 10 in einem Abschnitt an, der dem Drehpunkt des Centrifugal Microfluidic Biochips 10 fern ist, wobei der Abschnitt beginnend von dem dem Drehpunkt entferntest liegenden Punkt der ersten Kammer 10 maximal der Hälfte der radialen Erstreckung der dritten Kammer 50 entspricht.
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Bei der Prozessierung des Centrifugal Microfluidic Biochips 100 wird der Stickpack 60 durch Rotation des Biochips 100 um dessen Rotationsachse und Temperatureintrag in die erste Kammer 10 geöffnet - vgl. 3 - und die aus dem Stickpack 60 austretende Flüssigkeit durch Ausbilden eines vorbestimmten in der ersten Kammer 10 herrschenden Gas- und/oder Dampfdrucks aus der ersten Kammer 10 durch die flüssigkeitsführende 30 Leitung zur zweiten Kammer 20 getrieben.
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4 zeigt einen Zwischenschritt bei der Verarbeitung des Biochips 100, in dem in der gasgefüllten dritten Kammer 50, die mittels der gasführenden Leitung 40 mit der ersten Kammer 10 verbunden ist, durch Temperieren der dritten Kammer 50 auf eine zweite vorbestimmte Temperatur (unabhängig von der ersten Kammer 10) ein vorbestimmter Gasdruck erzeugt wird. Dieser in der dritten Kammer 50 erzeugte Gasdruck wirkt als Antrieb beim Einwirken lassen des temperierten Gases auf den Innenraum der ersten Kammer 10 mittels der die dritte Kammer 50 mit der ersten Kammer 10 verbindenden gasführenden Leitung 40, wodurch die von der ersten Kammer 10 aufgenommene Flüssigkeit aus der ersten Kammer 10 durch die flüssigkeitsführende Leitung 30 in die zweite Kammer 20 letztendlich vollständig überführt wird.
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5 zeigt den Endzustand, in dem die im Stickpack 60 enthaltene Flüssigkeit aus der ersten Kammer 10 über die flüssigkeitsführende Leitung 30 im Wesentlichen vollständig in die zweite Kammer 20 überführt worden ist.
