DE102021203638A1 - Mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren von Probenmaterial und Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung - Google Patents

Mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren von Probenmaterial und Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung (100) zum Analysieren von Probenmaterial, wobei die Vorrichtung (100) ein mikrofluidisches Netzwerk (105) aufweist, wobei das Netzwerk (105) ein erstes Teilnetzwerk (110) zum Aufreinigen von Probenmaterial und ein durch einen Verbindungskanal (125) mit dem ersten Teilnetzwerk verbundenes zweites Teilnetzwerk (120) zum Amplifizieren von Probenmaterial umfasst, wobei das erste Teilnetzwerk (110) und das zweite Teilnetzwerk (120) voneinander abtrennbar sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einer mikrofluidischen Vorrichtung zum Analysieren von Probenmaterial und einem Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
  • Mikrofluidische Analysesysteme, sogenannte Lab-on-Chips, kurz 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 in einer Lab-on-Chip-Kartusche, welche auch als mikrofluidische Analysevorrichtung bezeichnet werden kann, durchgeführt werden. Lab-on-Chip-Kartuschen können beispielsweise kostengünstig aus Polymeren hergestellt werden unter Verwendung von Serienfertigungsverfahren wie beispielsweise Spritzgießen, Stanzen oder Laserdurchstrahl-Schweißen. Das Prozessieren einer Lab-on-Chip-Kartusche erfolgt in einem dazugehörigen Analysegerät. Es sind unterschiedliche Typen von mikrofluidischen Analysesystemen bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren von Probenmaterial und ein Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung, weiterhin ein Steuergerät, das 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.
  • Im Allgemeinen verfügt eine druckbasierte mikrofluidische Analysevorrichtung über eine Vielzahl von aktiven mikrofluidischen Elementen wie Ventilen und Pumpkammern, welche in einem geeigneten Netzwerk aus mikrofluidischen Kanälen miteinander verbunden sind. Die pneumatische Ansteuerung der aktiven mikrofluidischen Elemente erfolgt wiederum über pneumatische Mikrokanäle innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung, welche über eine möglichst kompakt ausgestaltete Schnittstelle der mikrofluidischen Analysevorrichtung zu einem Analysegerät, welches zugleich als Prozessierungseinheit fungieren kann, mit Über- oder Unterdruck beaufschlagt werden können, um eine Aktuation der mikrofluidischen Elemente durch ein entsprechendes Auslenken einer elastischen Membran zu induzieren. Bei dem Design einer derartigen mikrofluidischen Analysevorrichtung stellt sich also insbesondere die Frage nach einer besonders vorteilhaften Anordnung der Elemente und Ausgestaltung des mikrofluidischen Netzwerks, um in besonders vorteilhafter Weise ein vorgegebenes Anwendungsspektrum mit der mikrofluidischen Vorrichtung adressieren zu können. Die hier vorgestellte mikrofluidische Vorrichtung bietet eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines mikrofluidischen Netzwerks mit aktiven, pneumatisch ansteuerbaren Elementen zum Prozessieren einer Probenflüssigkeit. Dabei kann vorteilhafterweise der Verbrauch an Reagenzien, die für die Durchführung eines Testablaufs erforderlich sind, minimiert werden, wobei gleichzeitig eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei dem mikrofluidischen Prozessieren erreicht werden kann.
  • Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung zum Analysieren von Probenmaterial vorgestellt, wobei die Vorrichtung ein mikrofluidisches Netzwerk aufweist, wobei das Netzwerk ein erstes Teilnetzwerk zum Extrahieren und damit Aufreinigen von Probenmaterial und ein durch einen Verbindungskanal mit dem ersten Teilnetzwerk verbundenes zweites Teilnetzwerk zum Vervielfältigen und damit Amplifizieren von Probenmaterial umfasst, wobei das erste Teilnetzwerk und das zweite Teilnetzwerk voneinander abtrennbar sind.
  • Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Lab-on-Chip-Kartusche als Bestandteil eines druckbasierten mikrofluidischen Analysesystems handeln. Dabei kann der Flüssigkeitstransport innerhalb der mikrofluidischen Analysevorrichtung durch das Anlegen von, zumeist pneumatischem, Druck erfolgen. Bei dem Probenmaterial, welches beispielsweise aus einer in die mikrofluidische Vorrichtung eingegebenen Probensubstanz stammen und innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung prozessiert werden kann, kann es sich beispielsweise um eine Probenflüssigkeit handeln. Dabei kann unter einer Probensubstanz die Probe verstanden werden, welche in die Kartusche eingegeben werden kann, zum Beispiel eine Flüssigprobe oder eine Abstrich-Probe. Hingegen kann es sich bei dem Probenmaterial insbesondere auch lediglich um Bestandteile der Probensubstanz handeln, welche aus der Probensubstanz beispielsweise durch Extraktion gewonnen wurden. Beispielsweise kann diese Probenflüssigkeit eine wässrige Lösung sein, beispielsweise gewonnen aus einer biologischen Substanz, beispielsweise humanen Ursprungs, wie einer Körperflüssigkeit, eines Abstrichs, eines Sekrets, Sputum, einer Gewebeprobe oder einer Vorrichtung mit angebundenem Probenmaterial. In der Probenflüssigkeit können sich beispielsweise Spezies von medizinischer, klinischer, diagnostischer oder therapeutischer Relevanz wie beispielsweise Bakterien, Viren, Zellen, zirkulierende Tumorzellen, zellfreie DNA, Proteine oder andere Biomarker oder insbesondere Bestandteile aus den genannten Objekten befinden. Beispielsweise kann es sich bei der Probenflüssigkeit um einen Mastermix oder Bestandteile davon handeln, beispielsweise für die Durchführung wenigstens einer Amplifikationsreaktion in der mikrofluidischen Analysevorrichtung beispielsweise für einen DNA-Nachweis auf molekularer Ebene wie beispielsweise einer isothermalen Amplifikationsreaktion oder einer Polymerase-Kettenreaktion. Dabei kann in der Vorrichtung zum Beispiel aus einer eingegebenen Probensubstanz, zum Beispiel einer Flüssigprobe oder Abstrichprobe, zunächst Probenmaterial extrahiert werden. Das heißt es kann ein Aufreinigen von Probenmaterial durchgeführt werden, um eine anschließende Amplifikation von Bestandteilen der Probensubstanz zu ermöglichen. Das Aufreinigen ist besonders vorteilhaft, da die ursprüngliche Probensubstanz Bestandteile, sogenannte Inhibitoren, enthalten kann, welche die Amplifikationsreaktion nachteilig beeinflussen würden. Bei der anschließenden Amplifikationsreaktion können lediglich Bestandteile der ursprünglichen Probensubstanz, wie zum Beispiel bestimmte DNA-Basensequenzen, amplifiziert, das heißt vervielfältigt, werden. Durch das lokale Anlegen von Über- oder Unterdruck kann beispielsweise eine elastische Membran als Bestandteil der mikrofluidischen Vorrichtung gezielt in Ausnehmungen in der mikrofluidischen Vorrichtung ausgelenkt werden, um auf diese Weise Flüssigkeit in die Ausnehmungen anzusaugen oder aus den Ausnehmungen zu verdrängen. Durch die elastische Membran kann hierbei zugleich eine Trennung zwischen den mikrofluidischen, flüssigkeitsführenden Bereichen der Vorrichtung einerseits sowie den pneumatischen Bereichen und der äußeren Umgebung andererseits erreicht werden. Abhängig von der Größe einer Ausnehmung in einem flüssigkeitsführenden Bereich und dem damit verbundenen Verdrängungsvolumen bei einem Auslenken der Membran in diesen Bereich kann beispielsweise eine mikrofluidische Pumpkammer mit großem Verdrängungsvolumen zur vordergründigen Erzeugung eines Flusses in der Vorrichtung oder ein mikrofluidisches Ventil mit kleinem Verdrängungsvolumen zur vordergründigen Steuerung des Flusses in der Vorrichtung vorliegen. Durch eine Kombination aus insgesamt wenigstens drei mikrofluidischen Pumpkammern und zusätzlich oder alternativ Ventilen kann sich durch sukzessive Aktuation der Elemente ein gerichteter Fluss in der mikrofluidischen Vorrichtung erzeugen lassen. Beispielsweise kann eine Pumpkammer mit zwei umrahmenden Ventilen, das heißt einem Einlass- und einem Auslassventil, kombiniert werden, um einen gerichteten Flüssigkeitstransport zu erzielen. Darüber hinaus können beispielsweise auch drei gleichartige Elemente mit vergleichbarem Verdrängungsvolumen miteinander kombiniert werden, um durch reihenweise, sukzessive Aktuation einen peristaltischen Flüssigkeitstransport zu bewirken.
  • Die hier vorgestellte Vorrichtung weist dabei vorteilhafterweise eine Abgrenzung der verschiedenen Funktionalitäten auf, welche von der mikrofluidischen Vorrichtung bereitgestellt werden können, in Form von mikrofluidisch abtrennbaren Teilnetzwerken. Unter einem Teilnetzwerk kann dabei eine Mehrzahl von miteinander verbundenen mikrofluidischen Elementen verstanden werden. Bei den mikrofluidischen Elementen kann es sich wie oben erwähnt um passive Elemente wie Kammern oder um aktuierbare Elemente wie Pumpkammern, Pumpen oder Ventile handeln. Vorzugsweise umfasst ein Teilnetzwerk zumindest zwei, bevorzugt mehr als zwei miteinander fluidisch verbundene mikrofluidische Elemente. Mit zwei voneinander abtrennbaren Teilnetzwerken ist insbesondere gemeint, dass die beiden Teilnetzwerke in zwei örtlich voneinander getrennten Bereichen angeordnet sind, und in einer vorzugsweisen Ausgestaltung durch einen ebenen Schnitt voneinander getrennt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann unter zwei voneinander abtrennbaren Teilnetzwerken verstanden werden, dass die beiden Teilnetzwerke durch ein oder mehrere Kanäle, bevorzugt nur durch einen Kanal, miteinander verbunden sind, wobei die Kanäle beziehungsweise der Kanal vorzugweise durch wenigstens ein fluidisches Trennelement wie beispielsweise ein Ventil fluidisch voneinander getrennt werden können.
  • Aufgrund der abtrennbaren Teilnetzwerke kann vorteilhafterweise eine Mehrfachansteuerung von mikrofluidischen Elementen ermöglicht werden, welche verschiedenen Teilnetzwerken zugeordnet sein können. Ferner ermöglicht eine Trennung der Durchführung von Aufreinigung und Amplifikation in separaten Teilnetzwerken eine Verringerung der Anzahl an Spülschritten sowie eine Unterbindung eines unerwünschten mikrofluidischen Quersprechens zwischen verschiedenen Ablaufschritten.
  • Gemäß einer Ausführungsform können das erste Teilnetzwerk und das zweite Teilnetzwerk in einer linearen Topologie angeordnet sein. Unter einer linearen Topologie kann insbesondere verstanden werden, dass die Teilnetzwerke linear oder in einer Reihe geordnet sind. Durch die lineare Netzwerktopologie können Totvolumina, welche bei der Durchführung eines Testablaufs innerhalb der mikrofluidischen Analysevorrichtung auftreten können, besonders gering ausfallen. Auf diese vorteilhafte Weise kann die Menge an Reagenzien, welche zur Durchführung des Testablaufs innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung benötigt wird, reduziert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Teilnetzwerk und zusätzlich oder alternativ das zweite Teilnetzwerk eine Mehrzahl von fluidisch voneinander abtrennbaren Funktionsmodulen aufweisen. Beispielsweise kann jedes Funktionsmodul eine bestimmte Aufgabe innerhalb eines Aufreinigungs- oder Analyseprozesses erfüllen und hierfür eine variable Anzahl einzelner Elemente wie zum Beispiel Ventile, Pump- oder Speicherkammern aufweisen. Dabei können die einzelnen Funktionsmodule zum Beispiel mittels Abtrennventilen voneinander abtrennbar sein. Ferner können zumindest einige der Funktionsmodule in einer bevorzugten Ausgestaltung in einer linearen Topologie angeordnet sein. Die Funktionsmodule können während eines Aufreinigungs- und Analysevorgangs zum Beispiel sukzessive angesteuert werden, um beispielsweise zunächst eine Spezies aus einer Probensubstanz zu extrahieren und einen anschließenden Nachweis der Spezies oder Bestandteilen davon in getrennten Bereichen der vorgestellten mikrofluidischen Analysevorrichtung zu ermöglichen. Vorteilhafterweise kann dadurch ein mögliches Quersprechen, das heißt ein unerwünschtes Vermischen von unterschiedlichen Flüssigkeitslösungen, welches üblicherweise durch eine mehrfache Verwendung von bestimmten Bereichen des mikrofluidischen Netzwerks auftreten kann, unterbunden werden. Auf diese Weise kann die Effizienz chemischer Reaktionen, welche innerhalb der mikrofluidischen Analysevorrichtung ablaufen, gesteigert und die Sensitivität, die bei einem Nachweis erzielt werden kann, erhöht werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung einen Ansteueranschluss zum Anlegen eines Drucks aufweisen, wobei der Ansteueranschluss durch einen ersten Ansteuerkanal mit einem Element eines Funktionsmoduls des ersten Teilnetzwerks und durch einen zweiten Ansteuerkanal mit einem Element eines Funktionsmoduls des zweiten Teilnetzwerks verbunden sein kann. Bei dem Element kann es sich zum Beispiel um ein Ventil oder eine Pumpkammer oder ein anderes mikrofluidisches Element der Vorrichtung handeln. Beispielsweise kann an dem Ansteueranschluss, der auch als Port oder Steuer-Port bezeichnet werden kann, ein Über- oder Unterdruck angelegt werden, um die Elemente der Funktionsmodule der Teilnetzwerke anzusteuern. Auf diese vorteilhafte Weise können mehrere aktive Elemente, welche jeweils unterschiedlichen Funktionsmodulen angehören, über einen gemeinsamen Ansteuerkanal geschaltet werden. Mit anderen Worten ausgedrückt ist also ein Multiplexing bei der Ansteuerung möglich. Durch ein Multiplexing bei der Ansteuerung der aktiven mikrofluidischen Elemente kann vorteilhafterweise die Anzahl der Steuer-Ports, welche für die Ansteuerung eines vorgegebenen mikrofluidischen Netzwerks benötigt werden, reduziert werden. Auf diese Weise können die Kosten, welche für das Analysegerät, das heißt insbesondere die Prozessierungseinheit, anfallen, gesenkt werden. Zudem kann durch ein Multiplexing bei der Ansteuerung der aktiven mikrofluidischen Elemente bei einer vorgegebenen Anzahl an Steuer-Ports ein mikrofluidisches Netzwerk mit einem gesteigerten Funktionsumfang realisiert werden. Auf diese Weise kann das Anwendungsspektrum, welches von einer derartigen mikrofluidischen Analysevorrichtung adressiert wird, erweitert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Teilnetzwerk ein erstes Funktionsmodul zum Bereitstellen von Flüssigkeitsreagenzien und zusätzlich oder alternativ ein zweites Funktionsmodul zum Eingeben einer Probensubstanz und zusätzlich oder alternativ ein drittes Funktionsmodul zum Filtern von Probenmaterial und zusätzlich oder alternativ ein viertes Funktionsmodul zum Speichern von Flüssigkeiten und zusätzlich oder alternativ ein Pumpmodul zum Herstellen eines Fluidtransports zwischen den Funktionsmodulen und zusätzlich oder alternativ das zweite Teilnetzwerk mindestens ein erstes Funktionsmodul zum Amplifizieren von Probenmaterial und zusätzlich oder alternativ ein zweites Funktionsmodul zum Bereitstellen wenigstens eines Amplifikationsreaktions-Beads umfassen. Beispielsweise können die Funktionsmodule des ersten Teilnetzwerks sukzessive zum Aufreinigen beziehungsweise Extrahieren von Probenmaterial eingesetzt werden. Dabei kann zum Beispiel das erste Funktionsmodul Flüssigreagenzien bereitstellen, in denen beispielsweise Probenmaterial gelöst und zusätzlich oder alternativ innerhalb der Vorrichtung transportiert werden kann. In das zweite Funktionsmodul kann eine Probensubstanz beispielsweise in Form einer Probenflüssigkeit oder einer Abstrichprobe eingegeben und gegebenenfalls von einem Trägerelement wie beispielsweise einer Probennahmevorrichtung gelöst werden. Unter Verwendung des dritten Funktionsmoduls können zum Beispiel bestimmte Spezies aus der Probensubstanz herausgefiltert werden, sodass im weiteren Verlauf nur der zu analysierende Teil des Probenmaterials weiter transportiert werden kann. Im vierten Funktionsmodul kann beispielsweise Flüssigkeit, welche beispielsweise während der Aufreinigung der Probensubstanz anfällt, gespeichert oder zwischengespeichert werden. Mittels des Pumpmoduls kann dabei ein Flüssigkeitstransport zwischen den unterschiedlichen Funktionsmodulen und zusätzlich oder alternativ zwischen den Teilnetzwerken hergestellt werden. So kann zum Beispiel nach dem Aufreinigen der Probensubstanz in den Funktionsmodulen des ersten Teilnetzwerks ein mit Probenmaterial angereichertes Fluid durch den Verbindungkanal von dem ersten Teilnetzwerk in das zweite Teilnetzwerk transportiert werden. Hier kann Probenmaterial zum Beispiel im ersten Funktionsmodul vervielfältigt beziehungsweise amplifiziert werden, während beispielsweise in einem zweiten Funktionsmodul ein sogenanntes Amplifikationsreaktions-Bead bereitgestellt werden kann. Vorteilhafterweise kann somit die Anzahl der Spülschritte, welche für die Durchführung eines Testablaufs innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung erforderlich sind, verringert werden. Auf diese Weise kann die Zeitdauer, welche für die Durchführung eines Testablaufs erforderlich ist, verkürzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform können das vierte Funktionsmodul des ersten Teilnetzwerks und das erste Funktionsmodul des zweiten Teilnetzwerks durch den Verbindungskanal fluidisch verbunden sein. Beispielsweise kann bei der Aufreinigung der Probensubstanz anfallende Flüssigkeit im vierten Funktionsmodul des ersten Teilnetzwerks gespeichert werden. Unter Verwendung des Verbindungskanals kann eine Flüssigkeit mit Probenmaterial in das erste Funktionsmodul des zweiten Teilnetzwerks überführt werden und Probenmaterial kann anschließend amplifiziert werden. Vorteilhafterweise kann durch die alleinige Verbindung der zwei Funktionsmodule eine Abtrennung einzelner Funktionsmodule sowie der Teilnetzwerke voneinander vereinfacht und das Auftreten einer Quer-Kontamination zwischen verschiedenen Ablaufschritten, das heißt ein unerwünschtes Vermischen von unterschiedlichen Flüssigkeitslösungen, welche während der Durchführung des Testablaufs zum Einsatz kommen, kann unterbunden werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das das vierte Funktionsmodul des ersten Teilnetzwerks ein erstes Absperrventil zum Schließen des Verbindungskanals und zusätzlich oder alternativ das erste Funktionsmodul des zweiten Teilnetzwerks ein zweites Absperrventil zum Schließen des Verbindungskanals aufweisen. Beispielsweise kann das erste Absperrventil geschlossen gehalten werden, während Probenmaterial innerhalb des ersten Teilnetzwerks prozessiert wird. Das hat den Vorteil, dass ein unerwünschtes vorzeitiges Eindringen eines im ersten Teilnetzwerk verwendeten Transferfluids mit Probenmaterial in das zweite Teilnetzwerk verhindert werden kann. Gleichermaßen kann nach einem Transport in das zweite Teilnetzwerk, bei dem beide Absperrventile geöffnet sein können, ein Schließen des zweiten Absperrventils einen Rückfluss des Transferfluids mit dem Probenmaterial in das erste Teilnetzwerk vorteilhafterweise verhindern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung einen Ventilansteueranschluss zum Anlegen eines Drucks umfassen, wobei das erste Absperrventil und das zweite Absperrventil mittels des Ventilansteueranschlusses steuerbar sein können. Beispielsweise können mittels des Ventilansteueranschlusses das erste Absperrventil und das zweite Absperrventil zeitgleich geschlossen oder geöffnet werden, um einen Fluidtransfer zwischen dem ersten Teilnetzwerk und dem zweiten Teilnetzwerk der Vorrichtung zu ermöglichen oder zu verhindern. Durch die gemeinsame Ansteuerung kann vorteilhafterweise die für das Prozessieren der Vorrichtung benötigte Anzahl an Ansteuerelementen verringert und damit können die Kosten des Systems verringert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das vierte Funktionsmodul des ersten Teilnetzwerks ausgebildet sein, um Probenmaterial auszugeben. Falls beispielsweise lediglich eine Aufreinigung und Extraktion von Probenmaterial in der Vorrichtung durchgeführt wird, kann das Probenmaterial beispielsweise nach dem Durchführen einer Extraktion wieder aus der mikrofluidischen Vorrichtung entnommen werden, ohne es in das zweite Teilnetzwerk zu überführen. Hierfür kann das vierte Funktionsmodul zum Beispiel eine Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben des Probenmaterials umfassen. Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung dadurch für verschiedene Analyseprozesse variabel eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Teilnetzwerk ein zusätzliches zweites Funktionsmodul zum Eingeben einer Probensubstanz aufweisen. Beispielsweise können durch die lineare Netzwerktopologie der Vorrichtung mehrere Probeneingabekammern implementiert werden, wobei diese in gleichwertiger Weise für eine anschließende mikrofluidische Prozessierung der in wenigstens eine der Probeneingabekammern eingegebenen Probensubstanz in dem mikrofluidischen Netzwerk der Vorrichtung eingesetzt werden können. Dabei kann zum Beispiel eine erste Probeneingabekammer speziell für die Eingabe einer Flüssigprobe in optimierter Form ausgestaltet sein, während eine zweite Probeneingabekammer beispielsweise speziell für die Eingabe einer Abstrichprobe, das heißt einer Probennahmevorrichtung mit angebundenem Probenmaterial, ausgestaltet sein kann. Auf diese vorteilhafte Weise kann die mikrofluidische Analysevorrichtung für eine Untersuchung von unterschiedlichen Probensubstanzen in universeller Weise eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung mindestens einen weiteren Ansteueranschluss zum Anlegen eines Drucks umfassen, wobei der weitere Ansteueranschluss durch einen weiteren Ansteuerkanal entweder mit einem Element eines Funktionsmoduls des ersten Teilnetzwerks oder mit einem Element eines Funktionsmoduls des zweiten Teilnetzwerks verbunden sein kann. Die mikrofluidische Vorrichtung kann zum Beispiel eine Mehrzahl von Ansteueranschlüssen umfassen, wobei einige Ansteueranschlüsse ausgebildet sein können, um mehrere Elemente unterschiedlicher Funktionsmodule anzusteuern, während andere Ansteueranschlüsse zum Ansteuern eines bestimmten Elements eines Funktionsmoduls verwendet werden können. Vorteilhafterweise ist so eine präzise Ansteuerung aller Elemente der Funktionsmodule möglich.
  • Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Variante der zuvor vorgestellten mikrofluidischen Vorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Extrahierens von Probenmaterial unter Verwendung des ersten Teilnetzwerks, einen Schritt des Transferierens von Probenmaterial vom ersten Teilnetzwerk in das zweite Teilnetzwerk und einen Schritt des Amplifizierens von Probenmaterial unter Verwendung des zweiten Teilnetzwerks umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Extrahierens einen Teilschritt des Vermischens und zusätzlich oder alternativ einen Teilschritt des Herablösens und zusätzlich oder alternativ einen Teilschritt des Lysierens und zusätzlich oder alternativ einen Teilschritt des Filterns und zusätzlich oder alternativ einen Teilschritt des Spülens aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Transferierens einen Teilschritt des Eluierens aufweisen und zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Amplifizierens einen Teilschritt des Lösens und zusätzlich oder alternativ einen Teilschritt des Vervielfältigens und zusätzlich oder alternativ einen Teilschritt des Erfassens aufweisen.
  • Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
  • Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
  • Hierzu kann das Steuergerät 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 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.
  • Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät 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 des Steuergeräts 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.
  • 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.
  • Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 6 eine perspektivische Draufsichtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 7 eine Draufsichtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • 8 eine perspektivische Draufsicht eines Ausschnitts der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 9 eine perspektivische Unteransicht eines Ausschnitts der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 13 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
    • 14 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Analysegeräts zum Aufnehmen einer mikrofluidischen Vorrichtung.
  • 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.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein mikrofluidisches Netzwerk 105 mit einer linearen Topologie auf. Das Netzwerk 105 ist in ein erstes Teilnetzwerk 110 und ein zweites Teilnetzwerk 120 aufgeteilt, wobei beide Teilnetzwerke 110, 120 in der hier gezeigten Darstellung mittels gestrichelter Linien markiert sind. Die beiden Teilnetzwerke 110, 120 sind über einen mikrofluidischen Verbindungskanal 125 miteinander verbunden. Dabei umfassen sowohl das erste Teilnetzwerk 110 als auch das zweite Teilnetzwerk 120 weitere mikrofluidische Kanäle, die in der hier gezeigten Figur als durchgezogene Linien in schematischer Weise dargestellt sind, welche unterschiedliche mikrofluidische Elemente miteinander verbinden. Das Netzwerk 105 der mikrofluidischen Vorrichtung 100 zeichnet sich in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere aus durch zwanzig aktive mikrofluidische Ventile 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150. Lediglich beispielhaft sind zwei Ventile 144, 145 an dem Verbindungskanal 125 angeordnet und als ein erstes Absperrventil 144 und als ein zweites Absperrventil 145 zum Schließen des Verbindungskanals ausgebildet. Somit sind die Teilnetzwerke 110, 120 voneinander abtrennbar. Das Netzwerk 105 umfasst zudem sechs aktive mikrofluidische Pumpkammern 151, 152, 153, 154, 155, 156, eine passive mikrofluidische Kammer 160, drei Vorlagerungskammern mit Entlüftungsöffnungen 161, 162, 163 für eine langzeitstabile Vorlagerung von Flüssigreagenzien, zwei Probeneingabekammern 167, 168, welche eine Probeneingabe ermöglichen, ein Filterelement 170, welches eine Extraktion von Bestandteilen aus einer Flüssigkeit ermöglicht, eine Flüssigkeitsspeicherkammer 180, welche für die Aufnahme von Flüssigkeiten nach einem Prozessieren in dem mikrofluidischen Netzwerk 105 dient, sowie vier Entlüftungsvorrichtungen 191, 192, 193, 194, welche zur Entlüftung des mikrofluidischen Netzwerks dienen. Die insgesamt sechsundzwanzig aktiven mikrofluidischen Elemente sind in diesem Ausführungsbeispiel durch pneumatische Steuerkanäle kontrollierbar, wie durch die senkrecht zu den mikrofluidischen Kanälen abzweigenden Striche in den Bezugssymbolen illustriert ist. Die Anordnung und Verknüpfung der benannten Elemente bildet das mikrofluidische Netzwerk 105, welches lediglich beispielhaft eine lineare Topologie aufweist.
  • Dabei setzt sich das mikrofluidische Netzwerk 105 der mikrofluidischen Vorrichtung 100 zusammen aus dem ersten Teilnetzwerk 110, welches für die Aufreinigung von Probenmaterial vorgesehen ist, sowie dem zweiten Teilnetzwerk 120, welches für eine Amplifikation von Probenmaterial vorgesehen ist. Die beiden Teilnetzwerke 110, 120 sind über einen mikrofluidischen Verbindungskanal 125 fluidisch miteinander verbunden. Dadurch ist ein mikrofluidisches Prozessieren im Rahmen der Durchführung eines Testablaufs innerhalb der beiden Teilnetzwerke 110, 120 sukzessive, das heißt nacheinander möglich. Entsprechend ist eine Kombination aus aktiven mikrofluidischen Elementen, welche jeweils in unterschiedlichen Teilnetzwerken 110, 120 angeordnet sind, gegebenenfalls durch einen gemeinsamen Ansteuerkanal ansteuerbar.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in der vorangegangenen Figur beschriebenen Vorrichtung und umfasst ein mikrofluidisches Netzwerk 105, das in ein erstes Teilnetzwerk 110 und ein zweites Teilnetzwerk 120 aufgeteilt ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die mikrofluidischen Elemente des Netzwerks 105 innerhalb der Teilnetzwerke 110, 120 in einer Mehrzahl von voneinander abtrennbaren Funktionsmodulen angeordnet, wobei die einzelnen Funktionsmodule in der hier gezeigten Darstellung jeweils durch umrahmende rechteckige Kästen aus punktgestrichelten Linien markiert sind. Im Einzelnen umfasst das Teilnetzwerk 110 zur Aufreinigung von Probenmaterial in diesem Ausführungsbeispiel ein Pumpmodul 230 zum Transportieren von Fluiden und darin gelöstem Probenmaterial innerhalb des Netzwerks 105 beziehungsweise zwischen den unterschiedlichen Funktionsmodulen. Lediglich beispielhaft umfasst das Pumpmodul hierfür zwei aktive mikrofluidische Pumpkammern 151, 152 und ein mikrofluidisches Ventil 136. Zudem weist das erste Teilnetzwerk 110 ein erstes Funktionsmodul 250 zur Bereitstellung von Flüssigreagenzien auf. In diesem ersten Funktionsmodul sind lediglich beispielhaft drei Vorlagerungskammern 161, 162, 163 für eine langzeitstabile Vorlagerung von Flüssigreagenzien angeordnet. Lediglich beispielhaft handelt es sich bei den Flüssigkeitsreagenzien um wässrige Lösungen, beispielsweise Pufferlösungen für die Prozessierung einer Probensubstanz oder Bestandteilen davon. In einem anderen Ausführungsbeispiel können auch Mineralöle, Silikonöle oder fluorierte Kohlenwasserstoffe in den Vorlagerungskammern gelagert werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist jede Vorlagerungskammer 161, 162, 163 fluidisch mit jeweils einem mikrofluidischen Ventil 131, 132, 133 verbunden, die wiederum über eine erste Kanalschnittstelle 255 fluidisch miteinander sowie mit einer zweiten Kanalschnittstelle 257 verbunden sind. Durch ein Schließen der Ventile 131, 132, 133 ist das erste Funktionsmodul 250 von dem restlichen mikrofluidischen Netzwerk 105 abtrennbar. Über die zweite Kanalschnittstelle 257 ist das erste Funktionsmodul 250 in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Pumpmodul 230, mit einem zweiten Funktionsmodul 261 zur Eingabe von Probensubstanzen und lediglich beispielhaft mit einem zusätzlichen zweiten Funktionsmodul 262 zur Eingabe von Probensubstanzen verbunden. Dabei umfasst das zweite Funktionsmodul 261 eine Probeneingabekammer 167 mit einer Entlüftungsvorrichtung 191. Die Probeneingabekammer 167 ist lediglich beispielhaft ausgebildet, um eine Abstrichprobe, das heißt eine Probennahmevorrichtung mit angebundenem Probenmaterial, aufzunehmen und ist innerhalb des zweiten Funktionsmoduls fluidisch mit zwei Ventilen 134, 135 verbunden. In ähnlicher Weise umfasst das zusätzliche zweite Funktionsmodul 262 eine Probeneingabekammer 168 mit einer Entlüftungsvorrichtung 192, die fluidisch mit zwei Ventilen 137, 138 verbunden ist. Dabei ist die Probeneingabekammer 168 in diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft zum Eingeben einer Flüssigprobe ausgebildet. Das zweite Funktionsmodul 261 und das zusätzliche zweite Funktionsmodul 262 sind über die Ventile 134, 137 fluidisch mit der zweiten Kanalschnittstelle verbunden. Über die Ventile 135, 138 sind das zweite Funktionsmodul 261 und das zusätzliche zweite Funktionsmodul 262 wiederum mit einer dritten Kanalschnittstelle 165 fluidisch verbunden, über die lediglich beispielhaft eine fluidische Verbindung zu dem Pumpmodul 230 und zu einem dritten Funktionsmodul 270 zum Filtern des Probenmaterials besteht. Durch ein Schließen der Ventile 134, 135 ist das zweite Funktionsmodul 261 von dem restlichen mikrofluidischen Netzwerk 105 abtrennbar, ebenso wie das zusätzliche zweite Funktionsmodul 262 durch ein Schließen der Ventile 137, 138 von dem restlichen mikrofluidischen Netzwerk 105 abtrennbar ist. Das dritte Funktionsmodul 270 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel neben vier mikrofluidischen Ventilen 139, 140, 141, 142 ein Filterelement 170, bei dem es sich lediglich beispielhaft um einen Silika-Filter handelt und das lediglich beispielhaft ausgebildet ist, um Spezies aus einer Probensubstanz herauszufiltern. Dabei bewirkt ein Schließen der Ventile 139, 140, die fluidisch mit der dritten Kanalschnittstelle 265 und einem vierten Funktionsmodul 280 verbunden sind, ein Lenken eines Fluidstroms über das Filterelement 170. Durch ein Schließen der Ventile 139, 141 ist das dritte Funktionsmodul 270 gegenüber den Funktionsmodulen 250, 261, 262 und dem Pumpmodul 230 abtrennbar und durch ein Schließen der Ventile 140, 142 ist das dritte Funktionsmodul 270 gegenüber dem vierten Funktionsmodul 280 abtrennbar. Das vierte Funktionsmodul 280 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ein im Netzwerk 105 verwendetes Fluid zu speichern. Hierfür weist das vierte Funktionsmodul 280 lediglich beispielhaft eine Flüssigkeitsspeicherkammer 180 mit einer Entlüftungsvorrichtung 193 und zwei Ventile 143, 144 auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das vierte Funktionsmodul 280 zusätzlich zum Ausgeben von Probenmaterial ausgebildet sein. Das vierte Funktionsmodul 280 ist in diesem Ausführungsbeispiel über eine vierte Kanalschnittstelle 285 fluidisch mit dem dritten Funktionsmodul 270 und dem Verbindungskanal 125 verbunden. Dabei ist das Ventil 144 lediglich beispielhaft als Absperrventil ausgebildet und am Verbindungskanal 125 angeordnet. Durch ein Schließen des Ventils 144 ist somit das gesamte erste Teilnetzwerk 110 von dem übrigen mikrofluidischen Netzwerk 105 abtrennbar. Der Verbindungskanal 125 stellt in diesem Ausführungsbeispiel eine fluidische Verbindung zwischen dem vierten Funktionsmodul 280 des ersten Teilnetzwerks 110 und einem ersten Funktionsmodul 290 des zweiten Teilnetzwerks 120 zur Amplifikation von Probenmaterial dar. Das erste Funktionsmodul 290 des zweiten Teilnetzwerks 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um Probenmaterial zu amplifizieren und umfasst hierfür lediglich beispielhaft drei in einer Reihe angeordnete aktive mikrofluidische Pumpkammern 153, 154, 155, die lediglich beispielhaft von zwei mikrofluidischen Ventilen 145, 146 eingeklammert sind. Dabei ist das Ventil 145 in diesem Ausführungsbeispiel direkt am Verbindungskanal 125 angeordnet und als Absperrventil ausgebildet. Durch ein Schließen des Ventils 145 ist somit das gesamte zweite Teilnetzwerk 120 von dem übrigen mikrofluidischen Netzwerk 105 abtrennbar. In diesem Ausführungsbeispiel weist das zweite Teilnetzwerk 120 zudem ein zweites Funktionsmodul 295 mit vier Ventilen 147, 148, 149, 150, einer aktiven mikrofluidische Pumpkammer 156, einer passiven mikrofluidischen Kammer 160 und einer Entlüftungsvorrichtung 194 auf. Über die Ventile 146, 147 sind das erste Funktionsmodul 290 und das zweite Funktionsmodul 295 fluidisch miteinander verbunden. Eine Abtrennung der beiden Funktionsmodule 290, 295 voneinander ist somit sowohl mittels des Ventils 146 des ersten Funktionsmoduls 290 als auch mittels des Ventils 147 des zweiten Funktionsmoduls 295 möglich. Das zweite Funktionsmodul 295 des zweiten Teilnetzwerks 120 ist lediglich beispielhaft ausgebildet, um wenigstens ein Amplifikationsreaktions-Bead bereitzustellen. Lediglich beispielhaft handelt es sich bei dem Amplifikationsreaktions-Bead um eine lyophilisierte beziehungsweise gefriergetrocknete Reagenz zum Herstellen eines Amplifikationsreaktions-Mix.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung. In der hier gezeigten Abbildung sind die Funktionsmodule 250, 261, 262, 270, 280, 290, 295 sowie das Pumpmodul 230 in vereinfachter Weise ohne die einzelnen mikrofluidischen Elemente dargestellt. Die Funktionsmodule 250, 261, 262, 270, 280, 290, 295 und das Pumpmodul 230 sind dabei in linearer Topologie angeordnet. Ferner sind die Funktionsmodule 250, 261, 262, 270, 280 sowie das Pumpmodul 230 als Bestandteile des ersten Teilnetzwerks 110 ausgebildet und die Funktionsmodule 290, 295 als Bestandteile des zweiten Teilnetzwerks 120, wobei das erste Teilnetzwerk 110 und das zweite Teilnetzwerk 120 über genau einen Verbindungskanal 125 miteinander verbunden sind. Durch die gewählte Topologie ist es lediglich beispielhaft möglich die Größe von Totvolumina zu verringern, die Anzahl von Pumpschritten zu reduzieren und ein unerwünschtes mikrofluidisches Quersprechen zwischen unterschiedlichen Prozessschritten eines Ablaufs zu unterbinden.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung mit dem beschriebenen Netzwerk. Zusätzlich zu den mikrofluidischen Elementen, welche das Netzwerk 105 der mikrofluidischen Vorrichtung 100 bilden, sind ferner auch die Ansteuerkanäle, welche zur Ansteuerung der aktiven mikrofluidischen Ventile 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150 und Pumpkammern 151, 152, 153, 154, 155, 156 dienen, als gestrichelte Linien eingezeichnet. In dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Ansteuerung dieser sechsundzwanzig aktiven mikrofluidischen Elemente 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156 mittels einer kompakten Ansteuerschnittstelle 400. Die Ansteuerschnittstelle 400 umfasst lediglich beispielhaft zwanzig Ansteueranschlüsse 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 409, 410, 411, 412, 413, 414, 415, 416, 417, 418, 419, 420, welche auch als Ansteuerungs-Ports bezeichnet werden können. Bei den Ansteuerungs-Ports handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um pneumatische Anschlüsse, über welche eine Aktuation der aktiven mikrofluidischen Elemente 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156 lediglich beispielhaft durch das Anlegen eines Über- oder Unterdrucks erfolgt. Dadurch ist insgesamt ein sechsfaches Multiplexing erzielt, wie sich aus der Differenz der Anzahl von sechsundzwanzig Elementen und zwanzig Ports ergibt. In der hier gezeigten Figur sind die zugehörigen sechs Verzweigungen von pneumatischen Ansteuerkanälen, welche das Multiplexing ermöglichen, in Form von schwarzen Knotenpunkten illustriert. Die Verzweigung der Ansteuerkanäle erfolgt entweder direkt an einem Ansteuerungs-Port oder aber an einem geeigneten Punkt eines Ansteuerkanals. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt lediglich beispielhaft eine Verzweigung direkt am Ansteueranschluss 409. Der Ansteueranschluss 409 ist lediglich beispielhaft ausgebildet, um durch einen ersten Ansteuerkanal 431 das Ventil 141 des dritten Funktionsmoduls 270 des ersten Teilnetzwerks 110 und durch einen zweiten Ansteuerkanal 432 das Ventil 148 des zweiten Funktionsmoduls 295 des zweiten Teilnetzwerks 120 gemeinsam anzusteuern. Auf ähnliche Weise sind in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Ventilansteueranschlusses 418 zum Anlegen eines Drucks das erste Absperrventil 144 und das zweite Absperrventil 145 steuerbar. Dadurch ist ein Öffnen oder Schließen des Verbindungskanals 125 unter Verwendung des Ventilansteueranschlusses 418 möglich und die einzelnen Teilnetzwerke 110, 120 sind von einander abtrennbar. Hingegen weist ein zweiter Ansteueranschluss 410 in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Verzweigung 441 und eine zweite Verzweigung 442 auf und ist somit ausgebildet, um sowohl das Ventil 131 des ersten Funktionsmoduls 250 des ersten Teilnetzwerks 110, als auch die Ventile 149, 150 des zweiten Funktionsmoduls 295 des zweiten Teilnetzwerks 120 gemeinsam anzusteuern. Die Ansteuerschnittstelle 400 umfasst zudem einen weiteren Ansteueranschluss 401 zum Anlegen eines Drucks, wobei der weitere Ansteueranschluss 401 in diesem Ausführungsbeispiel durch einen weiteren Ansteuerkanal 451 mit dem Ventil 132 des ersten Funktionsmoduls 250 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden ist. Lediglich beispielhaft ist ein zweiter weiterer Ansteueranschluss 402 mit der Pumpkammer 152 des Pumpmoduls 230 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein dritter weiterer Ansteueranschluss 403 ist mit dem Ventil 137 des zusätzlichen zweiten Funktionsmoduls 262 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein vierter weiterer Ansteueranschluss 404 ist mit dem Ventil 138 des zusätzlichen zweiten Funktionsmoduls 262 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein fünfter weiterer Ansteueranschluss 405 ist mit den Ventilen 139, 140 des dritten Funktionsmoduls 270 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein sechster weiterer Ansteueranschluss 406 ist mit dem Ventil 143 des vierten Funktionsmoduls 280 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein achter weiterer Ansteueranschluss 408 ist mit dem Ventil 142 des dritten Funktionsmoduls 270 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein elfter weiterer Ansteueranschluss 411 ist mit dem Ventil 133 des ersten Funktionsmoduls 250 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein zwölfter weiterer Ansteueranschluss 412 ist mit den Ventilen 134, 135 des zweiten Funktionsmoduls 261 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden, ein dreizehnter weiterer Ansteueranschluss 413 ist mit der Pumpkammer 151 des Pumpmoduls 230 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden und ein vierzehnter Ansteueranschluss 414 ist mit dem Ventil 136 des Pumpmoduls 230 des ersten Teilnetzwerks 110 verbunden. Gleichermaßen sind auch Elemente des zweiten Teilnetzwerks 120 der Vorrichtung 100 in diesem Ausführungsbeispiel mittels der Ansteuerschnittstelle 400 steuerbar. So ist lediglich beispielhaft ein siebter weiterer Ansteueranschluss 407 ist mit der Pumpkammer 153 des ersten Funktionsmoduls 290 des zweiten Teilnetzwerks 120 verbunden, ein fünfzehnter weiterer Ansteueranschluss 415 ist mit dem Ventil 146 des ersten Funktionsmoduls 290 des zweiten Teilnetzwerks 120 verbunden, ein sechzehnter weiterer Ansteueranschluss 416 ist mit der Pumpkammer 155 des ersten Funktionsmoduls 290 des zweiten Teilnetzwerks 120 verbunden, ein siebzehnter weiterer Ansteueranschluss 417 ist mit der Pumpkammer 154 des ersten Funktionsmoduls 290 des zweiten Teilnetzwerks 120 verbunden, ein neunzehnter weiterer Ansteueranschluss 419 ist mit dem Ventil 147 des zweiten Funktionsmoduls 295 des zweiten Teilnetzwerks 120 verbunden und ein zwanzigster weiterer Ansteueranschluss 420 ist mit der Pumpkammer 156 des zweiten Funktionsmoduls 295 des zweiten Teilnetzwerks 120 verbunden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung. Zur Veranschaulichung ist in der hier gezeigten Figur das mikrofluidische Netzwerk 105 in vereinfachter Weise dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die mikrofluidische Vorrichtung 100 zwei Teilnetzwerke 110, 120, welche über einen mikrofluidischen Verbindungskanal 125 miteinander verbunden sind, und eine pneumatische Ansteuerschnittstelle 400 mit vier Ansteueranschlüssen 409, 410, 418, 500. Die Ansteueranschlüsse 409, 410, 418, 500 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils ausgebildet, um sowohl mikrofluidische Elemente des ersten Teilnetzwerks 110 als auch des zweiten Teilnetzwerks 120 anzusteuern. Durch dieses vierfache Multiplexing sind in vorteilhafter Weise mittels der vier Ansteuerungs-Ports insgesamt acht aktive mikrofluidische Elemente der Vorrichtung 100 ansteuerbar, jeweils vier davon pro Teilnetzwerk 110, 120. Das Multiplexing ist dabei durch ein Verzweigen der Ansteuerkanäle an insgesamt vier Knotenpunkten 409, 418, 441, 505 erzielt.
  • 6 zeigt eine perspektivische Draufsichtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 einen innerhalb der drei Vorlagerungskammern 161, 162, 163 angeordneten Reagenzriegel 600 mit drei Kompartimenten auf, in denen jeweils unterschiedliche Flüssigreagenzien langzeitstabil vorlagerbar sind. Entsprechend können die Vorlagerungskammern 161, 162, 163 auch als Reagenzien-Vorlagerungskammern bezeichnet werden. Zudem ist innerhalb der Probeneingabekammer 167 des in den vorangegangenen 2 bis 4 beschriebenen zweiten Funktionsmoduls lediglich beispielhaft eine Probennahmevorrichtung 605 angeordnet, welche die Überführung einer darauf befindlichen Abstrichprobe in das Netzwerk 105 der mikrofluidischen Vorrichtung 100 erlaubt.
  • 7 zeigt eine Draufsichtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung. In der hier gezeigten Darstellung sind einige der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Elemente der mikrofluidischen Vorrichtung 100 beispielhaft beziffert. Im Einzelnen sind beziffert das mikrofluidische Ventil 146, die mikrofluidischen Pumpkammern 151, 152, 153, 154, 155, 156, die mikrofluidische Kammer 160, die drei Vorlagerungskammern 161, 162, 163, die beiden Probeneingabekammern 167, 168, das mikrofluidische Filterelement 170 sowie die Flüssigkeitsspeicherkammer 180. Ferner sind durch gestrichelte Linien eingezeichnet das erste Teilnetzwerk 110 für die Aufreinigung einer Probensubstanz, das zweite Teilnetzwerk 120 für die Amplifikation von Probenmaterial sowie die pneumatische Ansteuerschnittstelle 400 mit einem beispielhaft bezifferten weiteren Ansteueranschluss 401. Lediglich beispielhaft weist die Vorrichtung eine laterale Gesamtabmessung von 118 × 78 mm2 auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Gesamtabmessung 50 × 25 mm2 bis 300 × 200 mm2, bevorzugt 75 × 25 mm2 bis 200 × 100 mm2, betragen. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die fluidischen und pneumatischen Mikrokanäle zudem ein Querschnittsmaß von lediglich beispielhaft 600 × 400 µm2 auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Querschnittsmaße der fluidischen und pneumatischen Mikrokanäle 100 × 100 µm2 bis 3 × 3 mm2, bevorzugt 300 × 300 µm2 bis 1 × 1 mm2 betragen. Das effektive Verdrängungsvolumen einer mikrofluidischen Pumpkammer beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 20 µl, das effektive Verdrängungsvolumen eines mikrofluidischen Ventils beträgt lediglich beispielhaft 125 nl und das Volumen der mikrofluidischen Kammer mit Filterelement beträgt in diesem Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft 8 µl. In anderen Ausführungsbeispielen kann das effektive Verdrängungsvolumen einer mikrofluidischen Pumpkammer 1 µl bis 50 µl, bevorzugt 5 µl bis 30 µl, betragen, das effektive Verdrängungsvolumen eines mikrofluidischen Ventils kann 50 nl bis 1 µl, bevorzugt 100 nl bis 300 nl betragen und das Volumen der mikrofluidischen Kammer mit Filterelement kann 3 µl bis 20 µl, bevorzugt 5 µl bis 10 µl, betragen. Dabei ist für das mikrofluidische Prozessieren innerhalb der Vorrichtung 100 in diesem Ausführungsbeispiel eine Druckdifferenz (Überdruck oder Unterdruck relativ zum Atmosphärendruck), welche zur Erzeugung des mikrofluidischen Flusses durch Ausdrücken oder Ansaugen mittels einer Pumpkammer oder das Steuern des mikrofluidischen Flusses mittels eines Ventils verwendet wird, von lediglich beispielhaft 700 mbar einsetzbar. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Druckdifferenz 100 mbar bis 2000 mbar, bevorzugt 400 mbar bis 1500 mbar, betragen.
  • 8 zeigt eine perspektivische Draufsicht eines Ausschnitts der mikrofluidischen Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung. In der hier gezeigten Figur sind beispielhaft beziffert das mikrofluidische Ventil 131, die mikrofluidischen Pumpkammern 151, 152, die Probeneingabekammer 168, die mikrofluidische Kammer mit dem Filterelement 170, die Entlüftungsvorrichtung 193 sowie die pneumatischen Ansteuerungs-Ports 405, 409, 410. Die mikrofluidische Vorrichtung 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel realisiert durch zwei rigide Polymerbauteile, 800, 805, welche über eine flexible Membran 810 miteinander verbunden sind. Das untere Polymerbauteil 800 ist durch eine weitere Polymerfolie abgeschlossen, um die in dem Polymerbauteil vorliegenden Mikrokanäle abzudichten. Der mehrschichtige Aufbau ermöglicht so insbesondere eine Realisierung von fluidischen und pneumatischen Mikrokanälen auf wenigstens zwei verschiedenen lateralen Ebenen. Auf diese Weise sind fluidische und pneumatische Mikrokanäle kreuzbar und es kann ein besonders hoher Integrationsgrad der mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit einer zentralen und besonders kompakten Ausgestaltung der in 4 beschriebenen pneumatischen Ansteuerschnittstelle erreicht werden. Durch ein Anlegen von Über- oder Unterdruck an die pneumatischen Ansteuerungs-Ports ist über die pneumatischen Mikrokanäle die flexible Polymermembran in an den mikrofluidischen Ventilen und Pumpkammern vorliegenden Ausnehmungen auslenkbar, um so das Öffnen oder Schließen eines mikrofluidischen Ventils beziehungsweise einer Pumpkammer zu erzielen. Durch ein Ansaugen oder Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Pumpkammer ist bei einer geeigneten Ventilstellung der mikrofluidische Fluss innerhalb des Netzwerks 105 präzise kontrollierbar. In anderen Ausführungsbeispielen können beispielsweise folgende Materialien für die Realisierung der mikrofluidischen Analysevorrichtung verwendet werden: Vornehmlich Polymere wie Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP, COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastische Elastomere (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol-Blockcopolymer (TPS). Dabei kann die Vorrichtung beispielsweise durch Serienfertigungsverfahren wie Spritzgießen, Spritzprägen, Thermoformen, Stanzen oder Laserdurchstrahl-Schweißen gefertigt werden.
  • 9 zeigt eine perspektivische Unteransicht eines Ausschnitts der mikrofluidischen Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Vorrichtung 100 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtung. In der hier gezeigten Figur sind beispielhaft beziffert das mikrofluidische Ventil 131, die mikrofluidischen Pumpkammern 151, 152, die Probeneingabekammern 167, 168, die mikrofluidische Kammer mit dem Filterelement 170, die Entlüftungsvorrichtung 193 sowie der pneumatische Ansteuerungs-Port 405.
  • 10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der mit dem Verfahren betriebenen Vorrichtung kann es sich um die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Vorrichtung handeln. Das Verfahren 1000 umfasst einen Schritt 1005 des Extrahierens von Probenmaterial unter Verwendung des ersten Teilnetzwerks. Dabei wird lediglich beispielhaft eine Probensubstanz in dem Teilnetzwerk aufgereinigt und Probenmaterial wie beispielsweise DNA oder RNA wird aus der Probensubstanz extrahiert und in das mikrofluidische Netzwerk überführt. Es folgt ein Schritt 1010 des Transferierens von Probenmaterial vom ersten Teilnetzwerk in das zweite Teilnetzwerk, wobei eine Lösung mit zuvor extrahiertem Probenmaterial von dem ersten Teilnetzwerk in das zweite Teilnetzwerk transferiert wird. Im folgenden Schritt 1015 des Amplifizierens von Probenmaterial unter Verwendung des zweiten Teilnetzwerks wird Probenmaterial in dem zweiten Teilnetzwerk amplifiziert und damit für einen beispielsweise fluorometrischen Nachweis zugänglich gemacht. In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens 1000 kann der Schritt 1005 des Extrahierens oder die Schritte 1010, 1015 des Transferierens und des Amplifizierens entfallen. Der erste Schritt 1005 des Extrahierens kann beispielsweise entfallen, sofern die nachzuweisenden Spezies bereits in extrahierter Form in einer eingegebenen Probenflüssigkeit vorliegen. Der zweite Schritt 1010 des Transferierens und der dritte Schritt 1015 des Amplifizierens können beispielsweise wegfallen, falls lediglich eine Aufreinigung beziehungsweise Extraktion von Probenmaterial in der Vorrichtung durchgeführt wird und das Probenmaterial beispielsweise nach dem Durchführen des ersten Schritts 1005 des Extrahierens wieder aus der mikrofluidischen Vorrichtung entnommen wird.
  • 11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Verfahren 1000 entspricht oder ähnelt dem in der vorangegangenen 10 beschriebenen Verfahren, mit dem Unterschied, dass die einzelnen Schritte 1005, 1010, 1015 zusätzliche Teilschritte aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Schritt 1005 des Extrahierens einen Teilschritt 1105 des Vermischens und einen Teilschritt 1110 des Herablösens und einen Teilschritt 1115 des Lysierens und einen Teilschritt 1120 des Filterns und einen Teilschritt 1125 des Spülens. Der Schritt 1010 des Transferierens umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Teilschritt 1130 des Eluierens und der Schritt 1015 des Amplifizierens umfasst einen Teilschritt 1135 des Lösens und einen Teilschritt 1140 des Vervielfältigens und einen Teilschritt 1145 des Erfassens. Im Teilschritt 1105 des Vermischens erfolgt lediglich beispielhaft ein Vermischen einer in die Probeneingabekammer eingegebenen Flüssigprobe mit einem Bindepuffer. Das Vermischen wird insbesondere durchgeführt unter Verwendung des ersten Funktionsmoduls, des zusätzlichen zweiten Funktionsmoduls, des Pumpmoduls und einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, einer Probeneingabekammer und einer Entlüftungsvorrichtung. Der Bindepuffer ist in diesem Ausführungsbeispiel in genau einer der drei Vorlagerungskammern des ersten Teilnetzwerks vorgelagert. Die angrenzenden Funktionsmodule umfassen in diesem Ausführungsbeispiel mikrofluidische Ventile, welche in diesem Teilschritt 1105 geschlossen sind, sodass ein unerwünschtes mikrofluidisches Quersprechen mit den angrenzenden Funktionsmodulen unterbunden wird.
  • Im Teilschritt 1110 des Herablösens erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb der Probeneingabekammer ein Herablösen von Probenmaterial, welches initial an einer in die Probeneingabekammer eingegebenen Probennahmevorrichtung angebunden vorliegt. Das Herablösen erfolgt lediglich beispielhaft mittels einer Transferflüssigkeit, welche in die Kammer eingebracht wird, insbesondere unter Verwendung des ersten und zweiten Funktionsmoduls und des Pumpmoduls und einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, Vorlagerungskammern, einer Probeneingabekammer und einer Entlüftungsvorrichtung. Die Transferflüssigkeit ist lediglich beispielhaft in genau einer der Vorlagerungskammern vorgelagert. Die angrenzenden Funktionsmodule umfassen insbesondere mikrofluidische Ventile, welche in diesem Teilschritt 1110 geschlossen sind, sodass ein unerwünschtes mikrofluidisches Quersprechen mit den angrenzenden Funktionsmodulen unterbunden wird.
  • Im Teilschritt 1115 des Lysierens erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eine Zugabe von Lyse-Puffer zu einer in wenigstens eine der Probeneingabekammern eingegebenen Probensubstanz und es erfolgt ein Temperieren der Probensubstanz oder Bestandteilen davon, um eine thermisch induzierte Lyse von Bestandteilen der Probensubstanz zu bewirken. Bei den in diesem Teilschritt 1115 zu lysierenden Bestandteilen der Probensubstanz handelt es sich lediglich beispielhaft um Bakterien. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann es sich beispielsweise um andere Zellen handeln. Das Lysieren wird durchgeführt insbesondere unter Verwendung des ersten, zweiten und zusätzlichen zweiten Funktionsmoduls und des Pumpmoduls sowie einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, Vorlagerungskammern, einer Probeneingabekammer und einer Entlüftungsvorrichtung. Der Lyse-Puffer ist lediglich beispielhaft in genau einer der Vorlagerungskammern vorgelagert. Die angrenzenden Funktionsmodule umfassen insbesondere mikrofluidische Ventile, welche in diesem Teilschritt 1115 geschlossen sind, sodass ein unerwünschtes mikrofluidisches Quersprechen mit den angrenzenden Funktionsmodulen unterbunden wird. In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Teilschritts 1115 des Lysierens kann eine thermisch induzierte Lyse von Bestandteilen der Probensubstanz durch Temperieren des Filterelements erfolgen, nachdem die Bestandteile der Probensubstanz im Teilschritt 1120 des Filterns auf dem Filterelement angereichert worden sind.
  • Im Teilschritt 1120 des Filterns erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel ein Filtern und Anbinden von Bestandteilen der in wenigstens eine der Probeneingabekammern eingegebenen Probensubstanz unter Verwendung des Filterelements, sodass die Bestandteile der Probensubstanz auf dem Filterelement angereichert werden. Das Filtern wird durchgeführt insbesondere unter Verwendung des dritten, vierten, zweiten oder zusätzlichen zweiten Funktionsmoduls und des Pumpmoduls sowie einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, einer Probeneingabekammer, dem Filterelement, der Flüssigkeitsspeicherkammer sowie Entlüftungsvorrichtungen. Die angrenzenden Funktionsmodule umfassen insbesondere mikrofluidische Ventile, welche in diesem Teilschritt 1120 geschlossen sind, sodass ein unerwünschtes mikrofluidisches Quersprechen mit den angrenzenden Funktionsmodulen in diesem Teilschritt unterbunden wird. Beispielsweise wird dabei ein Bindepuffer mit Probenmaterial aus einer der Probeneingabekammern mittels des Pumpmoduls über das Filterelement in die Flüssigkeitsspeicherkammer gepumpt, wobei Bestandteile des Probenmaterials wie beispielsweise DNA oder RNA an dem Filterelement angebunden und konzentriert werden. Der Teilschritt 1120 des Filterns erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel nach einer Durchführung des Teilschritts 1105 des Vermischens, des Teilschritt 1110 des Herablösens und des Teilschritts 1115 des Lysierens. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Teilschritt 1120 des Filterns, abhängig von der genauen Ausführungsform des Verfahrens, vor oder nach dem Teilschritt des Lysierens erfolgen: Falls die Lyse in einer der Probeneingabekammer erfolgt, kann der Teilschritt des Filterns nach dem Teilschritt des Lysierens ausgeführt werden. Erfolgt die Lyse hingegen auf dem Filterelement, kann der Teilschritt des Filterns vor dem Teilschritt 716 des Lysierens ausgeführt werden.
  • Im Teilschritt 1125 des Spülens erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel ein Spülen des mikrofluidischen Netzwerks mit einem Wasch-Puffer, beispielsweise um Reste des Bindepuffers, welche nach dem Teilschritt 1120 des Filterns in dem mikrofluidischen Netzwerk vorliegen, zu beseitigen. Das Spülen wird durchgeführt insbesondere unter Verwendung des ersten, dritten und vierten Funktionsmoduls und des Pumpmoduls sowie einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, Vorlagerungskammern, der Flüssigkeitsspeicherkammer sowie einer Entlüftungsvorrichtung. Lediglich beispielhaft ist der Wasch-Puffer in genau einer der Vorlagerungskammern vorgelagert.
  • Im Teilschritt 1130 des Eluierens wird in diesem Ausführungsbeispiel an dem Filterelement vorliegendes Probenmaterial heruntergelöst, um dieses für einen molekulardiagnostischen Nachweis mittels einer Amplifikationsreaktion zugänglich zu machen. Lediglich beispielhaft handelt es sich bei dem Probenmaterial um DNA, In einem anderen Beispiel kann es sich auch um beispielsweise RNA handeln. Dazu wird lediglich beispielhaft ein Elutions-Puffer über das Filterelement gepumpt, um an dem Filterelement vorliegendes Probenmaterial in den Elutions-Puffer zu überführen. Im Zusammenhang mit der Elution erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Überführen des Elutions-Puffers mit Probenmaterial von dem ersten Teilnetzwerk in das zweite Teilnetzwerk über den mikrofluidischen Verbindungskanal. Das Eluieren wird durchgeführt insbesondere unter Verwendung des ersten, dritten und vierten Funktionsmoduls des ersten Teilnetzwerks und des ersten Funktionsmoduls des zweiten Teilnetzwerks und des Pumpmoduls sowie einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, mikrofluidischer Verbindungskanal, Vorlagerungskammern, Flüssigkeitsspeicherkammer sowie Entlüftungsvorrichtung. Der Elutions-Puffer ist lediglich beispielhaft in genau einer der Vorlagerungskammern vorgelagert.
  • Im Teilschritt 1135 des Lösens wird in diesem Ausführungsbeispiel der Elutions-Puffer mit dem enthaltenen Probenmaterial eingesetzt, um eine gefriergetrocknete beziehungsweise lyophilisierte Reagenz, welche auch als Reaktions-Bead bezeichnet werden kann, in Lösung zu bringen und auf diese Weise einen Reaktions-Mix für eine darauffolgende Amplifikationsreaktion bereitzustellen. Lediglich beispielhaft handelt es sich dabei um einen Master-Mix für die Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion. Das Lösen wird durchgeführt insbesondere unter Verwendung des ersten und zweiten Funktionsmoduls des zweiten Teilnetzwerks sowie einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern, mikrofluidische Kammer sowie Entlüftungsvorrichtung. Die gefriergetrocknete beziehungsweise lyophilisierte Reagenz beziehungsweise das Reaktions-Bead liegt in diesem Ausführungsbeispiel in einer Pumpkammer oder der passiven mikrofluidischen Kammer vor. Das Pumpen des Elutions-Puffers mit Probenmaterial in zumindest eines der Elemente zum Lösen des Reaktions-Beads erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel unter Einsatz von Pumpkammern. Nach dem Lösen des Reaktions-Beads wird lediglich beispielhaft der daraus resultierende Reaktionsmix von dem zweiten Funktionsmodul des zweiten Teilnetzwerks in das erste Funktionsmodul des zweiten Teilnetzwerks transferiert.
  • Im Teilschritt 1140 des Vervielfältigens wird in diesem Ausführungsbeispiel wenigstens eine Amplifikationsreaktion durchgeführt, um Probenmaterial, welches in dem Reaktions-Mix vorliegt, zu amplifizieren. Das Vervielfältigen wird durchgeführt insbesondere unter Verwendung des ersten Funktionsmoduls des zweiten Teilnetzwerks sowie einer Mehrzahl der nachfolgend genannten Elemente: mikrofluidische Ventile, mikrofluidische Pumpkammern. Das Vervielfältigen erfolgt lediglich beispielhaft durch eine Polymerase-Kettenreaktion. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Vervielfältigen auch durch eine isothermale Amplifikationsmethode erfolgen. Im Rahmen des Teilschritts des Vervielfältigens kann somit auch ein Temperieren der mikrofluidischen Pumpkammern erfolgen, in denen der Reaktions-Mix vorliegt, um geeignete physikalische Bedingungen zu schaffen, welche ein Ablaufen der Amplifikationsreaktion ermöglichen.
  • Im Teilschritt 1145 des Erfassens wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Signal erfasst, um das Ablaufen von wenigstens einer Amplifikationsreaktion im Rahmen des Teilschritts 1140 des Vervielfältigens nachzuweisen. Bei dem Signal handelt es sich lediglich beispielhaft um ein optisches Signal, beispielsweise um ein Fluoreszenzsignal, welches von wenigstens einem Fluoreszenzfarbstoff ausgeht, der das Ablaufen wenigstens einer Amplifikationsreaktion anzeigt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Teilschritt 1145 des Erfassens zeitgleich mit dem Teilschritt 1140 des Vervielfältigens oder nach dem Teilschritt 1140 des Vervielfältigens erfolgen. Optional erfolgt im Teilschritt 1145 des Erfassens auch eine Ausgabe des Signals oder einer daraus abgeleiteten Größe, um das Resultat der in der mikrofluidischen Analysevorrichtung durchgeführten Probenanalyse einem Anwender auszugeben.
  • In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können einzelne Teilschritte ausgelassen oder wiederholt ausgeführt werden oder in der Reihenfolge mit anderen Teilschritten vertauscht werden wie in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beispielhaft beschrieben wird.
  • 12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Verfahren 1000 entspricht oder ähnelt dem in den vorangegangenen 10 und 11 beschriebenen Verfahren. In dieser Variante des Verfahrens 1000 erfolgt eine sukzessive Durchführung der Teilschritte 1105 des Vermischens, 1115 des Lysierens, 1120 des Filterns, 1125 des Spülens, 1130 des Eluierens, 1135 des Lösens, 1140 des Vervielfältigens sowie 1145 des Erfassens.
  • 13 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Verfahren 1000 entspricht oder ähnelt dem in den vorangegangenen 10, 11 und 12 beschriebenen Verfahren. In dieser Variante des Verfahrens 1000 erfolgt eine sukzessive Durchführung der Teilschritte 1110 des Herablösens, 1120 des Filterns, 1115 des Lysierens, 1125 des Spülens, 1130 des Eluierens, 1135 des Lösens, 1140 des Vervielfältigens sowie 1145 des Erfassens.
  • 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Analysegeräts 1400 zum Aufnehmen einer mikrofluidischen Vorrichtung. Das Analysegerät 1400 ist lediglich beispielhaft ausgebildet, um mittels einer Eingabeöffnung 1405 eine mikrofluidische Vorrichtung, wie sie in den vorangegangenen 1 bis 9 beschrieben wurde, aufzunehmen, um Analyseprozesse innerhalb der Vorrichtung durchzuführen. Dabei umfasst das Analysegerät 1400 in diesem Ausführungsbeispiel ein Steuergerät 1410, das ausgebildet ist, um die Schritte des in den vorangegangenen 10 bis 13 beschriebenen Verfahrens in Bezug auf die Vorrichtung zu steuern.

Claims (15)

  1. Mikrofluidische Vorrichtung (100) zum Analysieren von Probenmaterial, wobei die Vorrichtung (100) ein mikrofluidisches Netzwerk (105) aufweist, wobei das Netzwerk (105) ein erstes Teilnetzwerk (110) zum Aufreinigen von Probenmaterial und ein durch einen Verbindungskanal (125) mit dem ersten Teilnetzwerk (110) verbundenes zweites Teilnetzwerk (120) zum Amplifizieren von Probenmaterial umfasst, wobei das erste Teilnetzwerk (110) und das zweite Teilnetzwerk (120) voneinander abtrennbar sind.
  2. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Teilnetzwerk (110) und das zweite Teilnetzwerk (120) in einer linearen Topologie angeordnet sind.
  3. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Teilnetzwerk (110) und/oder das zweite Teilnetzwerk (120) eine Mehrzahl von fluidisch voneinander abtrennbaren Funktionsmodulen (250, 261, 262, 270, 280, 290, 295) aufweist.
  4. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, wobei die Vorrichtung (100) einen Ansteueranschluss (409) zum Anlegen eines Drucks aufweist, wobei der Ansteueranschluss (409) durch einen ersten Ansteuerkanal (431) mit einem Element eines Funktionsmoduls (250, 261, 262, 270, 280) des ersten Teilnetzwerks (110) und durch einen zweiten Ansteuerkanal (432) mit einem Element eines Funktionsmoduls (290, 295) des zweiten Teilnetzwerks (120) verbunden ist.
  5. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Teilnetzwerk (110) ein erstes Funktionsmodul (250) zum Bereitstellen von Flüssigkeitsreagenzien und/oder ein zweites Funktionsmodul (261) zum Eingeben einer Probensubstanz und/oder ein drittes Funktionsmodul (270) zum Filtern von Probenmaterial und/oder ein viertes Funktionsmodul (280) zum Speichern einer Flüssigkeit und/oder ein Pumpmodul (230) zum Herstellen eines Fluidtransports zwischen den Funktionsmodulen (250, 261, 262, 270, 280, 290, 295) und/oder das zweite Teilnetzwerk (120) mindestens ein erstes Funktionsmodul (290) zum Amplifizieren von Probenmaterial und/oder ein zweites Funktionsmodul (295) zum Lösen wenigstens eines Amplifikationsreaktions-Beads umfasst.
  6. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5, wobei das vierte Funktionsmodul (280) des ersten Teilnetzwerks (110) und das erste Funktionsmodul (290) des zweiten Teilnetzwerks (120) durch den Verbindungskanal (125) fluidisch verbunden sind.
  7. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei das vierte Funktionsmodul (280) des ersten Teilnetzwerks (110) ein erstes Absperrventil (144) zum Schließen des Verbindungskanals (125) und/oder das erste Funktionsmodul (290) des zweiten Teilnetzwerks (120) ein zweites Absperrventil (145) zum Schließen des Verbindungskanals (125) aufweist.
  8. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, mit einem Ventilansteueranschluss (418) zum Anlegen eines Drucks, wobei das erste Absperrventil (144) und das zweite Absperrventil (145) mittels des Ventilansteueranschlusses (418) steuerbar sind.
  9. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das vierte Funktionsmodul (280) des ersten Teilnetzwerks (110) ausgebildet ist, um eine Flüssigkeit mit Probenmaterial auszugeben.
  10. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das erste Teilnetzwerk (110) ein zusätzliches zweites Funktionsmodul (262) zum Eingeben einer Probensubstanz aufweist.
  11. Mikrofluidische Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Vorrichtung (100) mindestens einen weiteren Ansteueranschluss (401) zum Anlegen eines Drucks umfasst, wobei der weitere Ansteueranschluss (401) durch einen weiteren Ansteuerkanal (451) entweder mit einem Element eines Funktionsmoduls (250, 261, 262, 270, 280) des ersten Teilnetzwerks (110) oder mit einem Element eines Funktionsmoduls (290, 295) des zweiten Teilnetzwerks (120) verbunden ist.
  12. Verfahren (1000) zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (1000) folgende Schritte (1005, 1010, 1015) umfasst: Extrahieren (1005) von Probenmaterial unter Verwendung des ersten Teilnetzwerks (110); Transferieren (1010) von Probenmaterial vom ersten Teilnetzwerk (110) in das zweite Teilnetzwerk (120); und Amplifizieren (1015) von Probenmaterial unter Verwendung des zweiten Teilnetzwerks (120).
  13. Verfahren (1000) gemäß Anspruch 12, wobei der Schritt (1005) des Extrahierens einen Teilschritt (1105) des Vermischens und/oder einen Teilschritt (1110) des Herablösens und/oder einen Teilschritt (1115) des Lysierens und/oder einen Teilschritt (1120) des Filterns und/oder einen Teilschritt (1125) des Spülens aufweist und/oder wobei der Schritt (1010) des Transferierens einen Teilschritt (1130) des Eluierens aufweist und/oder wobei der Schritt (1015) des Amplifizierens einen Teilschritt (1135) des Lösens und/oder einen Teilschritt (1140) des Vervielfältigens und/oder einen Teilschritt (1145) des Erfassens aufweist.
  14. Steuergerät (1410), das eingerichtet ist, um die Schritte (1005, 1010, 1015) des Verfahrens (1000) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
  15. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (1005, 1010, 1015) des Verfahrens (1000) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
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