DE102021208891B3 - Unterdruckschalten von Flüssigkeit - Google Patents

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Abstract

Ein Fluidikmodul umfasst erste Fluidikstrukturen mit einer ersten Fluidkammer, zweite Fluidikstrukturen mit einer zweiten Fluidkammer, eine erste Verbindung mit einem fluidischen Widerstand zwischen der ersten Fluidkammer und der zweiten Fluidkammer, dritte Fluidikstrukturen mit einer dritten Fluidkammer, eine zweite Verbindung mit einer Barriere zwischen der ersten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer, einen Druckausgleichskanal zwischen der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer und vierte Fluidikstrukturen mit einer vierten Fluidkammer, die über eine dritte Verbindung mit den zweiten Fluidikstrukturen verbunden ist. Flüssigkeit ist zentrifugal aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer transferierbar ist. Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer ist über die dritte Verbindung unter Rotation in die vierte Fluidkammer transferierbar, um Unterdruck in der dritten Fluidkammer zu erzeugen. Die Barriere kann aufgrund des erzeugten Unterdrucks von Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer überwunden werden, um Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer über die zweite Verbindung in die dritte Fluidkammer zu transferieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeiten und insbesondere solche Vorrichtungen und Verfahren, die ein Schalten von Flüssigkeit aus einer Fluidkammer in eine andere Fluidkammer über eine Flussbarriere unter Verwendung von Unterdruck ermöglichen.
  • Einleitung
  • Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht, Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Allgemein können solche Strukturen, die zur Handhabung von Fluiden ausgelegt sind, als Fluidikstrukturen bezeichnet werden. Allgemein können solche Kartuschen als Fluidikmodule bezeichnet werden.
  • Die Kartuschen können mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt werden, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik.
  • Für die Verwendung solcher Kartuschen und zur Implementierung von Grundoperationen in einem möglichen Produkt ist die Robustheit und Einfachheit der Handhabung der Prozesse von höchster Bedeutung. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Grundoperationen auf der Kartusche monolithisch realisiert sind, so dass keine zusätzlichen Komponenten oder Materialien, die durch Materialkosten oder zusätzliche Aufbau- und Verbindungs-Technik, Assemblierung, die Kosten der Kartusche wesentlich steigern würden, erforderlich sind.
  • Im Besonderen wird das Schalten von Flüssigkeiten als fundamentale Operation oder Grundoperation für die Ausführung von Prozessketten benötigt, um nacheinander ablaufende fluidische Prozessierungsschritte voneinander trennen zu können. Für die Automatisierung von Laborprozessen in einem zentrifugal-mikrofluidischen Rotor sind Schaltprozesse somit unabdingbar.
  • Im Bereich der zentrifugalen Mikrofluidik wirkt ein Prozessierungsprotokoll im Allgemeinen auf alle Fluidikstrukturen einer Kartusche gleichzeitig ein. Durch die zunehmende Integration von nacheinander oder parallel ablaufenden Prozessierungsschritten ergeben sich dadurch im Allgemeinen zunehmend Einschränkungen für die zulässigen Prozessierungsprotokolle. Um verschiedene fluidische Operationen dennoch auf einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche integrieren zu können, ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten, für die die exakten Bedingungen für das Auftreten des Schaltvorgangs durch geeignete Ausgestaltung in einem weiten Rahmen eingestellt werden können.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zum Schalten einer Flüssigkeit in zentrifugal-mikrofluidischen Systemen bekannt.
  • Salar Soroori u.a., „Design and implementation of fluidic mirco-pulleys for flow control on centrifugal microfluidic platforms“, Microfluid Nanofluid (2014) 16:1117-1129, Springer-Verlag, offenbaren ein Verfahren, bei dem eine Arbeitsflüssigkeitskammer über eine Transferkammer mit einer Probenflüssigkeitskammer verbunden ist. Die Arbeitsflüssigkeit kann zentrifugal aus der Arbeitsflüssigkeitskammer in eine Abfallkammer transferiert werden, so dass in der Transferkammer ein Unterdruck erzeugt wird und durch diesen Unterdruck eine Probenflüssigkeit aus der Probenflüssigkeitskammer radial nach innen in die Transferkammer transferiert wird. Hier wird somit eine Arbeitsflüssigkeit verwendet, die unter Einwirkung von Zentrifugalkräften nach radial außen gedrängt wird. Durch den in dem geschlossenen fluidischen System entstehenden Unterdruck wird die Probenflüssigkeit als Zielflüssigkeit radial einwärts über einen Siphon in die Transferkammer, die eine Zielkammer darstellt, gezogen.
  • Robert Gorkin u.a., „Suction-enhanced siphon valves for centrifugal microfluidic platforms“, Microfluid Nanofluid (2012) 12:345-354, DOI 10.1007/s10404-011-0878-2, Springer-Verlag, offenbaren ein Verfahren, bei dem Unterdruck verwendet wird, der dadurch erzeugt wird, dass eine Flüssigkeit an einer T-Kreuzung vorbeiströmt, um einen Siphon zu schalten.
  • Genauer gesagt ist eine radial innen liegende Kammer über einen radial abfallenden Kanal mit einer radial äußeren Kammer verbunden. Ein Fluidkanal, der einen Siphon aufweist, mündet in den radial abfallenden Kanal. Über den radial abfallenden Kanal findet ein Druckabfall statt, der einen Unterdruck erzeugt, durch den Flüssigkeit aus dem Siphon-Kanal in den radial abfallenden Kanal und somit die radial äußere Kammer gezogen werden kann.
  • Aus der DE 10 2016 207 845 A1 ist eine Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten bekannt, bei der durch Absenken einer Temperatur in einer Fluidkammer ein Unterdruck erzeugt wird, durch den Flüssigkeit über einen Siphon in die Kammer gezogen werden kann.
  • Aus der US 2017/ 0 151 559 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses bekannt, bei dem ein zentrifugaler Antrieb zusammen mit einem radial nach innen gebogener Kanal und einem Gasvolumen zwischen Flüssigkeitsvolumina verwendet wird, um einen Flüssigkeitsfluss zu steuern.
  • Die US 6 063 589 A offenbart Verfahren und Vorrichtungen zum Durchführen von mikroanalytischen und mikrosynthetischen Analysen auf einer rotierenden Plattform, wobei Zentripetalkraft benutzt wird, um eine Fluidbewegung durch Mikrokanäle, die in die Plattform eingebettet sind, zu bewirken.
  • Die WO 2020/ 261 229 A1 offenbart eine gesteuerte Lieferung von Gas in Kammern eines mikrofluidischen Chips mit einer konditionierten Kammer und drei damit gekoppelten Reservoiren, einem ersten zum Liefern eines Gases in die konditionierte Kammer, einem zweiten zum Liefern einer Flüssigkeit in die konditionierte Kammer und einem dritten zum Empfangen einer Ausgabe von der konditionierten Kammer.
  • Die EP 3 114 454 B1 offenbart eine pneumatische Flusssteuerung in einem zentrifugal mikrofluidischen System, das einen Körper und einen Mikrofluidikchip aufweist, wobei der Körper und der Chip durch einen Zentrifuge rotierbar sind, und wobei ein elektrischer Schaltkreis an dem Körper angebracht ist.
  • Die EP 3 389 866 B1 offenbart Vorrichtungen und Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeiten in einem zentrifugal mikrofluidischen System, insbesondere zum Mischen von Flüssigkeiten, zur Resuspension von Reagenzien und zur Befüllung von Erfassungskammern.
  • Die EP 2 219 034 B1 offenbart Vorrichtungen und Verfahren, bei denen eine Beziehung zwischen Kapillarkräften und Zentrifugalkräften eingestellt wird, um Flüssigkeiten zwischen Kammern durch Kanäle, beispielsweise Siphonkanäle, zu transferieren.
  • Aus der DE 10 2017 204 002 A1 ist ein Fluidikmodul zum zentifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüssigkeitshaltebereich in nachfolgende Fluidikstrukturen unter Ausnutzung eines Verhältnisses von Zentrifugaldruck zu pneumatischem Druck bekannt.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Fluidikmodule und Verfahren zu schaffen, die ein Schalten von Flüssigkeiten in einem zentrifugalen mikrofluidischen System auf vorteilhafte Weise ermöglichen und die es ermöglichen, dass Bedingungen für das Auftreten des Schaltvorgangs durch geeignete Ausgestaltung in einem weiten Rahmen eingestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Fluidikmodul nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
  • Beispiele schaffen ein Fluidikmodul mit folgenden Merkmalen: ersten Fluidikstrukturen mit einer ersten Fluidkammer; zweiten Fluidikstrukturen mit einer zweiten Fluidkammer; einer ersten fluidischen Verbindung mit einem fluidischen Widerstand zwischen der ersten Fluidkammer und der zweiten Fluidkammer; dritten Fluidikstrukturen mit einer dritten Fluidkammer; einer zweiten fluidischen Verbindung zwischen der ersten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer, wobei die zweite fluidische Verbindung eine Barriere aufweist; einem Druckausgleichskanal zwischen der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer; und vierten Fluidikstrukturen mit einer vierten Fluidkammer, die über eine dritte fluidische Verbindung mit den zweiten Fluidikstrukturen verbunden ist. Flüssigkeit ist unter Rotation zentrifugal aus der ersten Fluidkammer durch den fluidischen Widerstand der ersten fluidischen Verbindung in die zweite Fluidkammer transferierbar, während durch die Barriere der zweiten fluidischen Verbindung zunächst verhindert ist, dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer in die dritte Fluidkammer gelangt. Zumindest ein Teil der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer ist über die dritte fluidische Verbindung unter Rotation in die vierte Fluidkammer transferierbar, um einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer, die über den Druckausgleichskanal mit der zweiten Fluidkammer verbunden ist, zu erzeugen. Die Barriere in der zweiten fluidischen Verbindung ist ausgelegt, um aufgrund des erzeugten Unterdrucks in der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer von Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer überwunden zu werden, um Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer über die zweite fluidische Verbindung in die dritte Fluidkammer zu transferieren.
  • Beispiele schaffen ein Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeit unter Verwendung eines entsprechenden Fluidikmoduls, das erste Fluidikstrukturen mit einer ersten Fluidkammer, zweite Fluidikstrukturen mit einer zweiten Fluidkammer, eine erste fluidische Verbindung mit einem fluidischen Widerstand zwischen der ersten Fluidkammer und der zweiten Fluidkammer, dritte Fluidikstrukturen mit einer dritten Fluidkammer, eine zweite fluidische Verbindung zwischen der ersten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer, wobei die zweite fluidische Verbindung eine Barriere aufweist, einen Druckausgleichskanal zwischen der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer, und vierte Fluidikstrukturen mit einer vierten Fluidkammer, die über eine dritte fluidische Verbindung mit den zweiten Fluidikstrukturen verbunden ist, aufweist. Das Verfahren weist ein Drehen des Fluidikmoduls auf, um Flüssigkeit zentrifugal aus der ersten Fluidkammer durch die erste fluidische Verbindung in die zweite Fluidkammer zu transferieren, während die Barriere der zweiten fluidischen Verbindung zunächst verhindert, dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer in die dritte Fluidkammer gelangt, und um zumindest einen Teil der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer über die dritte fluidische Verbindung in die vierte Fluidkammer zu transferieren, um einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer, die über den Druckausgleichskanal mit der zweiten Fluidkammer verbunden ist, zu erzeugen, wobei aufgrund des erzeugten Unterdrucks in der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer die Barriere der zweiten fluidischen Verbindung überwindet und über die zweite fluidische Verbindung in die dritte Fluidkammer transferiert wird.
  • Beispiele schaffen somit Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum gezielten Schalten von Flüssigkeiten in zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen. Es wurde erkannt, dass entsprechende Fluidikmodule und Verfahren eine Möglichkeit für das Schalten von Flüssigkeiten zu schaffen, die gleichzeitig monolithisch integrierbar und leicht fertigbar, weitgehend unabhängig von Flüssigkeits- und Materialeigenschaften und auf einen weiten Bereich von Prozessbedingungen anpassbar ist.
  • Es wurde dabei erkannt, dass dies erreicht werden kann, wenn ein Transfer eines Teils einer Flüssigkeit über einen fluidischen Widerstand (zwischen der ersten und der zweiten Fluidkammer) bewirkt wird und die so transferierte Flüssigkeit anschließend verwendet wird, um einen Unterdruck zu erzeugen. Der Unterdruck wird dann dazu genutzt, den nicht über den fluidischen Widerstand transferierten Teil der Flüssigkeit über eine Barriere (in der zweiten fluidischen Verbindung) zu schalten. Bei Beispielen kann entsprechend eine erste Flüssigkeit über den fluidischen Widerstand transferiert werden, wobei dann der Unterdruck genutzt werden kann, um eine zweite, von der ersten Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeit, über die Barriere zu schalten. Beispiele schaffen somit ein Schalten einer Prozessflüssigkeit über eine Barriere, wie z.B. einen invertierten Siphon mit Hilfe eines Unterdrucks, welcher von der Prozessflüssigkeit selbst oder von einer davon abgeschiedenen Flüssigkeit erzeugt wird.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 schematisch ein Fluidikmodul gemäß einem Beispiel;
    • 2A bis 2C schematisch ein Fluidikmodul gemäß einem Beispiel mit einer Trennwand zwischen der zweiten Fluidkammer und der dritten fluidischen Verbindung;
    • 3A bis 3C schematisch eine Fluidikmodul gemäß einem Beispiel, bei dem die dritte fluidische Verbindung einen invertierten Siphon aufweist;
    • 4A bis 4C schematisch eine Fluidikmodul gemäß einem Beispiel, bei dem der fluidische Widerstand durch eine Membran gebildet ist; und
    • 5A und 5B schematische Darstellungen von Vorrichtungen zum Schalten von Flüssigkeiten, die Fluidikmodule verwenden, wie sie hierin beschrieben sind.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Insbesondere können gleiche oder ähnliche Elemente jeweils mit Bezugszeichen versehen sein, die eine gleiche Zahl mit einem unterschiedlichen oder keinem Kleinbuchstaben aufweisen. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, können gegeneinander austauschbar sein. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
  • Bevor Beispiele der vorliegenden Offenbarung näher erläutert werden, werden Definitionen einiger hierin verwendeter Begriffe angegeben.
  • Unter einem Unterdruck wird hierin die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck (meist Atmosphärendruck: patm -1013 hPa) und einem generierten niedrigeren Druck (< patm) verstanden.
  • Unter einem Retentat werden die flüssigen oder festen Bestandteile verstanden, die beim Trennprozess mittels einer Filtermembran von Filtermembran zurückgehalten werden.
  • Unter einem Permeat werden flüssige oder feste Bestandteile einer Flüssigkeit verstanden, die beim Trennprozess mittels einer Filtermembran die Membran passieren.
  • Unter den Ausdruck Flüssigkeit, wie er hierin verwendet wird, fallen, wie Fachleuten offensichtlich ist, insbesondere auch Flüssigkeiten, die Feststoffbestandteile beinhalten, wie z.B. Suspensionen, biologische Proben und Reagenzien.
  • Unter einem invertierten Siphonkanal wird hierin ein mikrofluidischer Kanal oder Abschnitt eines mikrofluidischen Kanals in einem Fluidikmodul (einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche) verstanden, bei dem Eingang und Ausgang des Kanals einen größeren Abstand vom Drehzentrum aufweisen als ein Zwischenbereich des Kanals. Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich eines Siphonkanals in einem Fluidikmodul mit minimalem Abstand vom Drehzentrum zu verstehen.
  • Unter einem Fluidikmodul ist hierein ein Modul, beispielsweise eine Kartusche zu verstehen, das Mikrofluidikstrukturen aufweist, die ausgelegt sind, um eine Flüssigkeitshandhabung, wie sie hierin beschrieben ist, zu ermöglichen. Unter einem zentrifugalen mikrofluidischen Fluidikmodul (Kartusche) ist ein entsprechendes Modul zu verstehen, das einer Rotation unterworfen werden kann, beispielsweise in Form eines in einen Rotationskörper einsetzbaren Fluidikmoduls oder eines Rotationskörpers.
  • Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr als 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierein eine Kammer die solche Abmessungen aufweist, dass bei der Durchströmung der Kammer ein im Vergleich zu verbundenen Kanälen vernachlässigbarer Strömungswiderstand auftritt, der beispielsweise 1/100 oder 1/1000 des Strömungswiderstands der an die Kammer angeschlossenen Kanalstruktur mit kleinstem Strömungswiderstand betragen kann.
  • Beispiele der Erfindung können insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen.
  • Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.
  • Ist hierin nichts anderes angegeben, ist hinsichtlich temperaturabhängiger Größen jeweils von Raumtemperatur (20°C) auszugehen.
  • Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen mikrofluidische Strukturen und Verfahren in einem zentrifugal-mikrofluidischen System zum zentrifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten. 1 zeigt ein Beispiel von Fluidikstrukturen, die in einem Fluidikmodul 10 gebildet sind und ausgelegt sind, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zumindest teilweise zu implementieren. Das Fluidikmodul 10 ist um ein Drehzentrum oder Rotationszentrum R drehbar und kann als ein Rotationskörper oder als ein in einen Rotationskörper einsetzbares Modul ausgebildet sein. Das Fluidikmodul 10 weist erste Fluidikstrukturen 12 mit einer ersten Fluidkammer 14, zweite Fluidikstrukturen 16 mit einer zweiten Fluidkammer 18, dritte Fluidikstrukturen 20 mit einer dritten Fluidkammer 22 und vierte Fluidikstrukturen 24 mit einer vierten Fluidkammer 26 auf. Die ersten bis vierten Fluidikstrukturen können jeweils zusätzliche Fluidkammern aufweisen, solange dadurch die hierin beschriebenen Funktionalitäten nicht beeinträchtigt werden. Bei Beispielen können die ersten bis vierten Fluidikstrukturen jeweils eine Anzahl an Kammern aufweisen, wobei bei Beispielen die Anzahl eins beträgt. Die Fluidkammer oder Fluidkammern der ersten Fluidikstrukturen können Flüssigkeitsreservoire oder Reaktionskammern darstellen.
  • Die erste Fluidkammer 14 ist über eine erste fluidische Verbindung 28, die einen fluidischen Widerstand 30 aufweist, mit der zweiten Fluidkammer 18 fluidisch verbunden. Die erste Fluidkammer 14 ist ferner über eine zweite fluidische Verbindung 32, die eine Barriere 34 aufweist, mit der dritten Fluidkammer 22 fluidisch verbunden. Die zweite Fluidkammer 18 ist ferner über einen Druckausgleichskanal 36 mit der dritten Fluidkammer 22 fluidisch verbunden. Die vierte Fluidkammer 26 ist über eine dritte fluidische Verbindung 38 mit den zweiten Fluidikstrukturen 16 verbunden.
  • Flüssigkeit ist unter Rotation zentrifugal aus der ersten Fluidkammer 14 durch den fluidischen Widerstand 30 der ersten fluidischen Verbindung 28 in die zweite Fluidkammer 18 transferierbar, während durch die Barriere 34 der zweiten fluidischen Verbindung 32 zunächst verhindert ist, dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 in die dritte Fluidkammer 22 gelangt. Der fluidische Widerstand 30 und die Barriere 34 können dabei derart ausgestaltet sein, dass das Fluidikmodul 10 mit einer Rotation beaufschlagt werden kann, die eine Zentrifugalkraft erzeugt, bei der der fluidische Widerstand 30 überwunden wird, nicht jedoch die Barriere 34.
  • Zumindest ein Teil der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer 18 ist über die dritte fluidische Verbindung 38 unter Rotation in die vierte Fluidkammer 26 transferierbar, um einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer 18 und der dritten Fluidkammer 22, die über den Druckausgleichskanal mit der zweiten Fluidkammer 18 verbunden ist, zu erzeugen. Die Fluidikstrukturen sind ausgelegt, um die Erzeugung des Unterdrucks zu ermöglichen. Dabei kann bei Beispielen durch den fluidischen Widerstand der ersten fluidischen Verbindung 28 und/oder in der ersten Fluidkammer 14 verbliebene Flüssigkeit verhindert werden, dass Luft über die erste fluidische Verbindung 28 entweicht. Die fluidischen Strukturen und die Barriere 34 in der zweiten fluidischen Verbindung 32 sind dabei derart ausgelegt, dass aufgrund des erzeugten Unterdrucks Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 die Barriere 34 überwinden kann, so dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferierbar ist, während der fluidische Widerstand 30 der ersten fluidischen Verbindung verhindert, dass währenddessen nennenswert Flüssigkeit über die erste fluidische Verbindung 28 in die zweite Fluidkammer 18 gelangt. Der fluidische Widerstand 30 und die Barriere 34 sind dabei im Verhältnis zueinander derart ausgestaltet, dass der Unterdruck in der zweiten Fluidkammer und der dritten Fluidkammer Flüssigkeit hauptsächlich durch die zweite fluidische Verbindung 32 über die Barriere 34 in die dritte Fluidkammer 22 zieht und nicht über den fluidischen Widerstand 30 in die zweite Fluidkammer 18. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der fluidische Widerstand 30 derart ausgelegt ist, dass er bei einer gegebenen Rotationsgeschwindigkeit bei Unterschreiten einer bestimmten hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 14 ein Passieren der Flüssigkeit verhindert. Alternativ oder zusätzlich kann dies erreicht werden, indem die Rotationsgeschwindigkeit reduziert wird.
  • Beispiele ermöglichen es somit, zunächst einen Teil der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 über die erste fluidische Verbindung 28 in die zweite Fluidkammer 18 zu transferieren, woraufhin ein anderer Teil der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert werden kann. Bei Beispielen kann auch zunächst eine erste Flüssigkeit vollständig über die erste fluidische Verbindung 28 in die zweite Fluidkammer 18 transferiert werden, woraufhin eine zweite, von der ersten Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeit, die nach dem Transferieren der ersten Flüssigkeit in die erste Fluidkammer eingebracht wird, über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert werden kann. Um den Unterdruck in der zweiten Fluidkammer 18 und der dritten Fluidkammer 22 zu erzeugen, kann somit eine Prozessflüssigkeit selbst oder auch eine vor der Prozessflüssigkeit in die erste Fluidkammer 14 eingebrachte Flüssigkeit verwendet werden.
  • Bei Beispielen kann die Barriere 34 der zweiten fluidischen Verbindung 32 einen invertierten Siphon aufweisen. Bei solchen Beispielen kann das Fluidikmodul zunächst mit einer Rotationsgeschwindigkeit gedreht werden, bei der die Zentrifugalkraft ausreicht, um den fluidischen Widerstand 30 zu überwinden, während sie verhindert, dass die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 den Siphon passiert. Durch den in der dritten Fluidkammer 22 herrschenden Unterdruck kann dann eine Kraft erzeugt werden, die die Zentrifugalkraft übersteigt, so dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 durch den Siphon gelangen kann. Dies kann durch ein Absenken der Rotationsgeschwindigkeit weiter unterstützt werden.
  • Bei Beispielen weist die Barriere 34 ein Kapillarventil oder ein geometrisches Ventil auf, das ohne den Unterdruck zunächst verhindert, dass Flüssigkeit durch die zweite fluidische Verbindung 32 gelangt und durch den in der dritten Fluidkammer 22 herrschenden Unterdruck überwunden werden kann. Ein Kapillarventil stellt in der Mikrofluidik eine Barriere für den Durchfluss einer Flüssigkeit dar, bei der sich an dem Ventil ein Meniskus der Flüssigkeit derart ausbildet, dass Kapillarkräfte einer Bewegung der Flüssigkeit durch das Ventil entgegenwirken. Wird über das Ventil eine kritische Druckdifferenz angelegt, werden die Kapillarkräfte überwunden, die Flüssigkeit passiert das Ventil und das Ventil wird demnach auf Durchfluss geschalten. Ein Kapillarventil kann durch eine hydrophobe Beschichtung oder durch eine spezielle geometrische Struktur als geometrisches Ventil realisiert werden. Bei einem geometrischen Ventil handelt es sich üblicherweise um eine abrupte Aufweitung eines Mikrofluidikkanals, die in zumindest einer Richtung der Aufweitung eine möglichst scharfe Kante enthält, an der es zu einem sogenannten „Pinning“ (Feststecken) des Meniskus kommt.
  • Bei Beispielen weist die Barriere einen radial ansteigenden Fluidkanal auf, dessen Mündung in die dritte Fluidkammer 22 radial weiter innen liegt als dessen Mündung in die erste Fluidkammer 14. Ein solcher radial ansteigender Fluidkanal kann durch den in der dritten Fluidkammer 22 herrschenden Unterdruck überwunden werden.
  • Bei Beispielen weist die dritte fluidische Verbindung 38 einen invertierten Siphon auf, dessen Scheitel benetzbar ist, indem Flüssigkeit in den zweiten Fluidikstrukturen 16 einen bestimmten Füllstand erreicht, d.h. der auf die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer 18 wirkende Druck ausreicht, um den Siphon entgegen der Zentrifugalkraft zu benetzen. Somit kann ein vollständiges „Primen“ (Benetzen) des Siphons erreicht werden und die Flüssigkeit kann aus der zweiten Fluidkammer 18 in die vierte Fluidkammer 26 transferiert werden.
  • Bei Beispielen weisen die zweiten Fluidikstrukturen 16 eine Trennwand zwischen einem ersten Kammerabschnitt der zweiten Fluidkammer, in den die erste fluidische Verbindung mündet, und einem zweiten Kammerabschnitt der zweiten Fluidkammer, in den die dritte fluidische Verbindung mündet, auf, die durch die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer aufgrund einer Eulerkraft, die durch eine Änderung einer Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls entsteht, überströmbar ist. Die Trennwand ragt dabei von einer radial äußeren Position zu einer radial inneren Position in die zweiten Fluidikstrukturen 16. Die Trennwand kann einen schrägen Wandabschnitt aufweisen, der von einem radial äußeren Bereich des ersten Kammerabschnitts radial ansteigend in Richtung zu dem zweiten Kammerabschnitt hin verläuft.
  • Bei Beispielen ist die zweite Fluidkammer in einem Ausgangszustand, in dem sich keine Flüssigkeit in derselben befindet, über die dritte fluidische Verbindung und die vierte Fluidkammer belüftet. Durch den Transfer der Flüssigkeit von der zweiten Fluidkammer in die vierte Fluidkammer kann diese Belüftung verschlossen werden, so dass ein Unterdruck in der zweiten und der dritten Fluidkammer erzeugt werden kann.
  • Bei Beispielen weist die erste fluidische Verbindung einen Fluidkanal mit einem Flussquerschnitt von weniger als 40000 µm2 auf. Bei Beispielen kann der fluidische Widerstand der ersten fluidischen Verbindung durch einen Widerstandskanal mit einem Durchmesser von maximal 100 µm gebildet sein. Ein Flusswiderstand mit einem solchen Flussquerschnitt kann bei einer Rotationsgeschwindigkeit überwunden werden, bei der die Barriere 34 verhindert, dass Flüssigkeit durch die zweite fluidische Verbindung 32 in die zweite Fluidkammer 22 gelangt.
  • Bei Beispielen weist die erste fluidische Verbindung eine Filtermembran und eine weitere Fluidkammer, die durch die Filtermembran von der ersten Fluidkammer getrennt ist, auf. Die Filtermembran kann den fluidischen Widerstand bilden oder zusätzlich zu einem weiteren fluidischen Widerstand vorgesehen sein. Solche Beispiele ermöglichen, dass zunächst Prozessflüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 durch die Filtermembran in die zweite Fluidkammer 18 geleitet wird, so dass Retentat durch die Filtermembran zurückgehalten wird. Das Permeat kann dann aus der zweiten Fluidkammer 18 in die vierte Fluidkammer 26 transferiert werden, während das Retentat über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert werden kann.
  • Bei Beispielen kann in der ersten Fluidkammer eine Biomolekül- oder Zell-bindende Matrix angeordnet sein. Solche Beispiele ermöglichen, dass Biomoleküle, wie zum Beispiel Nukleinsäuren, Proteine, Hormone, usw., oder Zellen, wie zum Beispiel Bakterien, humane Zellen, tierische Zellen, usw., in der ersten Fluidkammer gebunden werden. Die so gebundenen Biomoleküle oder Zellen können dann über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert werden, beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Elutionslösung.
  • Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen eine Vorrichtung zum Handhaben von Flüssigkeiten, die ein beliebiges Fluidikmodul, wie es hierin beschrieben ist, und eine Antriebseinrichtung, um das Fluidikmodul mit einer Rotation zu beaufschlagen, aufweist. Die Antriebseinrichtung kann eine Steuereinrichtung aufweisen, um eine Rotation des Fluidikmoduls zu bewirken, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten ganz oder teilweise zu erreichen. Die Vorrichtung kann ausgelegt sein, um Verfahren, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Die Antriebseinrichtung kann ausgelegt sein, um das Fluidikmodul 10 zu drehen, um Flüssigkeit zentrifugal aus der ersten Fluidkammer 14 durch die erste fluidische Verbindung 30 in die zweite Fluidkammer 18 zu transferieren, während die Barriere 34 der zweiten fluidischen Verbindung 32 zunächst verhindert, dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 in die dritte Fluidkammer 22 gelangt. Durch die Drehung des Fluidikmoduls kann zumindest ein Teil der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer 18 über die dritte fluidische Verbindung 38 in die vierte Fluidkammer 26 transferiert werden, um einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer 18 und somit auch der dritten Fluidkammer 22, die über den Druckausgleichskanal 36 mit der zweiten Fluidkammer 18 verbunden ist, zu erzeugen. Aufgrund des erzeugten Unterdrucks wird die Barriere 34 überwunden und Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 gelangt über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22.
  • Bei Beispielen kann das Drehen des Fluidikmoduls ein Drehen bei einer ersten Rotationsgeschwindigkeit, um die Flüssigkeit von der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 zu transferieren, und ein Drehen bei einer zweiten, von der ersten Rotationsfrequenz verschiedenen Rotationsgeschwindigkeit, um die Flüssigkeit aufgrund des erzeugten Unterdrucks aus der ersten Fluidkammer in die dritte Fluidkammer zu transferieren, aufweisen. Abhängig von der Ausgestaltung des ersten fluidischen Widerstands und der Barriere kann dabei die zweite Rotationsgeschwindigkeit kleiner oder größer als die erste Rotationsgeschwindigkeit sein.
  • Bei Beispielen findet abhängig von der hydrostatischen Höhe in der ersten Fluidkammer 14 auch bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit kaum mehr ein Transfer über den fluidischen Widerstand 30 in die zweite Fluidkammer statt. Bei Beispielen kann daher das Drehen zum Transferieren der Flüssigkeit von der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 und zum Erzeugen des Unterdrucks bei der gleichen Rotationsgeschwindigkeit stattfinden. Auch das Transferieren zumindest eines Teils der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer in die vierte Fluidkammer kann bei Beispielen bei gleichbleibender Rotationsgeschwindigkeit stattfinden, beispielsweise, wenn die dritte fluidische Verbindung 38 einen invertierten Siphon aufweist, dessen Scheitel durch die in die zweite Fluidkammer 18 transferierte Flüssigkeit vollständig benetzt wird. Bei Beispielen, bei denen die zweiten Fluidikstrukturen eine Trennwand zwischen der zweiten Fluidkammer und der dritten fluidischen Verbindung aufweisen, kann das Drehen ein Ändern der Rotationsgeschwindigkeit aufweisen, um zu bewirken, dass die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer aufgrund einer Eulerkraft die Trennwand überströmt und in die vierte Fluidkammer geschaltet wird. Die Trennwand kann dabei als ein Trägheitsschalter betrachtet werden, wobei für den Transfer über die Trennwand beispielsweise eine Änderung der Rotationsgeschwindigkeit auf eine höhere Frequenz stattfinden kann.
  • Bei Beispielen, bei denen die erste fluidische Verbindung eine Filtermembran aufweist, kann das Drehen durchgeführt werden, um ein Permeat, das die Filtermembran passiert, in die zweite Fluidkammer zu transferieren, und ein Retentat, das von der Membran zurückgehalten wird, mit der Flüssigkeit aufgrund des erzeugten Unterdrucks aus der ersten Fluidkammer über die zweite fluidische Verbindung in die dritte Fluidkammer zu transferieren. Solche Beispiele ermöglichen eine Aufreinigung von Biomolekülen, Partikeln oder Zellen.
  • Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren, bei dem eine Probenflüssigkeit in die erste Fluidkammer 14 eingebracht wird, wobei die erste Fluidkammer 14 eine Biomolekül- oder Zell-bindende Matrix aufweist, um Biomoleküle (Nukleinsäuren, Proteine, Hormone, usw.) oder Zellen (Bakterien, humane Zellen, tierische Zellen, usw.) an der Matrix zu binden. Ein Drehen des Fluidikmoduls wird durchgeführt, um die Probenflüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 zu transferieren. Eine Waschlösung wird in die erste Fluidkammer 14 eingebracht, um Verunreinigungen zu entfernen. Ein Drehen wird durchgeführt, um die Waschlösung aus der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 zu transferieren. Eine Elutionslösung oder ein Lysereagenz wird in die erste Fluidkammer 14 eingebracht, um die gereinigten Biomoleküle zu eluieren oder Zellen zu lysieren und ein Eluat oder ein Lysat zu erzeugen. Ein Drehen wird durchgeführt, um die Waschlösung und die Probenlösung zumindest teilweise aus der zweiten Fluidkammer 18 in die vierte Fluidkammer 26 zu transferieren, um den Unterdruck zu erzeugen und dadurch das Eluat oder Lysat aus der ersten Fluidkammer 14 in die dritte Fluidkammer 22 zu transferieren.
  • Bei Beispielen wird somit Flüssigkeit aus einer ersten Kammer 14 über einen fluidischen Widerstand 30, beispielsweise einen Kanal oder eine Filtermembran, mittels Zentrifugalkraft in eine radial weiter außen liegende zweite Kammer 18 getrieben. Die erste Kammer 14 ist zusätzlich über eine Barriere 34, beispielsweise einen siphonförmig ausgestalteten fluidischen Pfad, mit einer weiteren Kammer 22 verbunden. Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 14 wird zumindest teilweise in die zweite Fluidkammer 18 transferiert und dort zur Erzeugung eines Unterdrucks verwendet. Dieser Unterdruck wird dazu genutzt, die verbliebene Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 14, oder eine in die erste Fluidkammer 14 eingebrachte andere Flüssigkeit, über die Barriere 34, beispielsweise den siphonförmig ausgestalteten fluidischen Pfad, in eine weitere Fluidkammer 22 zu schalten. Eine mögliche Anwendung ist eine Filtration, bei der das Permeat für die Erzeugung des Unterdrucks verwendet wird und das Retentat, in dem sich Zielpartikel befinden, in eine weitere Kammer transferiert wird. Eine mögliche Anwendung ist bei Beispielen eine Nukleinsäureaufreinigung mittels eines sogenannten Bind-Wash-Elute-Verfahrens, bei dem das Eluat am Ende des Reinigungsprozesses mit Hilfe des Unterdrucks in eine Zielkammer geschaltet wird.
  • Im Folgenden werden spezielle Beispiele von Fluidikmodulen Bezug nehmend auf die 2A bis 4C beschrieben, die jeweilige Fluidikstrukturen solcher Fluidikmodule in Draufsicht zeigen.
  • Die 2A bis 2C zeigen ein Beispiel eines Fluidikmoduls, bei dem der fluidische Widerstand der ersten fluidischen Verbindung durch einen Fluidkanal mit einem geringen Flussquerschnitt gebildet ist, die Barriere durch einen invertierten Siphon gebildet ist, und die zweiten Fluidikstrukturen eine Trennwand aufweisen. Die mikrofluidischen Strukturen des Fluidikmoduls weisen die erste Fluidkammer 14 auf, die mit der zweiten Kammer radial weiter außen liegenden Fluidkammer 18 über die erste fluidische Verbindung 28 mit dem fluidischen Widerstand verbunden ist. Die erste Fluidkammer 14 ist zusätzlich über die zweite fluidische Verbindung 32, die einen invertierten Siphon 50 als Barriere aufweist, mit der dritten Fluidkammer 22 verbunden. Durch den invertierten Siphon 50 wird beim Schalten die Flüssigkeit transferiert. Die dritte Fluidkammer 22 ist über den Druckausgleichskanal 36, der einen luftführenden Kanal darstellt, mit der zweiten Fluidkammer 18 verbunden. Die zweite Fluidkammer 18 weist eine Trennwand 52 in Form einer rampenförmigen Struktur auf, die die zweite Fluidkammer 18 in einen ersten Kammerabschnitt 18a und einen zweiten Kammerabschnitt 18b unterteilt. Die Trennwand 52 ragt von einem bezüglich des Drehzentrums R radial äußeren Ende der zweiten Fluidkammer 18 radial nach innen und weist eine Rampe auf, die sich schräg nach radial innen zu dem zweiten Kammerabschnitt 18b hin erstreckt. Die erste fluidische Verbindung 28 mündet in den ersten Kammerabschnitt 18a. Der zweite Kammerabschnitt 18b der zweiten Fluidkammer 18 ist über die dritte fluidische Verbindung 38, die durch einen fluidischen Widerstandskanal implementiert sein kann, mit der radial weiter außen liegenden vierten Fluidkammer 26 verbunden. Die vierte Fluidkammer 26 ist belüftet, wie durch eine Entlüftung 54 schematisch gezeigt ist. Die erste Fluidkammer ist über eine Einfüllöffnung 56 und einen Einfüllkanal 58 ebenfalls belüftet. Die übrigen Strukturen weisen keine Belüftung oder zumindest keine Belüftung, durch die die beschriebenen Funktionalitäten verhindert würden, auf.
  • Bei dem gezeigten Beispiel mündet die zweite fluidische Verbindung 32 in Form eines Flüssigkeitskanals, der den invertierten Siphon 50 aufweist, in einen radial äußeren Abschnitt der ersten Fluidkammer 14 und einen radial inneren Abschnitt der dritten Fluidkammer 22. Die erste fluidische Verbindung 28 in Form des Widerstandskanals verbindet einen radial äußeren Abschnitt der ersten Fluidkammer 14 mit einem radial inneren Abschnitt des ersten Kammerabschnitts 18a der zweiten Fluidkammer 18. Die dritte fluidische Verbindung 38 in Form eines Fluidkanals verbindet einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Kammerabschnitts 18b der zweiten Fluidkammer 18 mit einem radial äußeren Abschnitt der vierten Fluidkammer 26. Die erste fluidische Verbindung 28 weist einen Flussquerschnitt auf, der viel geringer ist als ein Flussquerschnitt des Fluidkanals, der die zweite fluidische Verbindung 32 bildet, so dass die erste fluidische Verbindung 28 für die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 14 einen hohen Flusswiderstand bietet, während die zweite fluidische Verbindung 32 für die entsprechende Flüssigkeit einen geringen Flusswiderstand bietet. Der Fluidkanal der dritten fluidischen Verbindung 38 kann einen Flusswiderstand bieten, der zwischen dem hohen Flusswiderstand und dem geringen Flusswiderstand liegt.
  • 2A zeigt die entsprechenden Fluidikstrukturen in einem Zustand, in dem ein Teil einer Flüssigkeit F aus der ersten Fluidkammer 14 über die fluidische Verbindung 28 in die zweite Fluidkammer 18 transferiert wurde, wie durch einen Pfeil 60 in 2A angedeutet ist. Bei Beispielen kann dies durch eine Drehung bei einer ersten Rotationsgeschwindigkeit erfolgen, durch die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 durch hohe Zentrifugalkräfte über den Widerstandskanal 28 in die zweite Fluidkammer 18 getrieben wird, die über die dritte fluidische Verbindung und die vierte Fluidkammer 26 belüftet ist.
  • Zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise nachdem ein bestimmter Teil der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 transferiert wurde, wird Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer 18 mittels Trägheit, um die rampenförmige Trennwand 52 zu überwinden, in den zweiten Kammerabschnitt 18b der zweiten Fluidkammer 18 transferiert, wie durch einen Pfeil 62 in 2A angedeutet ist. Der sich ergebende Zustand ist in 2B gezeigt, wo die Flüssigkeit in dem zweiten Kammerabschnitt 18b angeordnet ist. Dadurch verschließt die Flüssigkeit die dritte fluidische Verbindung 38, so dass die zweite Fluidkammer 18 und die damit über den luftführenden Druckausgleichskanal 36 verbundene dritte Fluidkammer 22 nicht mehr belüftet sind. Wird die Flüssigkeit in den zweiten Kammerabschnitt 18b nun durch Zentrifugalkräfte über die dritte fluidische Verbindung 38 in die radial außen liegende vierte Kammer 26 getrieben, Pfeil 64 in 2B, wird in den Kammern 18 und 22 ein Unterdruck erzeugt. Bei Rotationsgeschwindigkeiten, bei denen die durch diesen Unterdruck bewirkte Kraft die in dem radial ansteigenden Kanalabschnitt des Siphons 50 wirkende Zentrifugalkraft übersteigt, führt der Unterdruck dazu, dass die restliche Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 den invertierten Siphon 50 benetzt und die Flüssigkeit über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert wird. Bei Beispielen kann dazu die Drehzahl abgesenkt werden, so dass die Zentrifugalkraft nicht mehr ausreicht, um Flüssigkeit über die erste fluidische Verbindung aus der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 zu transferieren. 2C zeigt den sich ergebenden Zustand, bei dem die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert wurde, wie durch einen Pfeil 66 angedeutet ist. Durch den in der zweiten Fluidkammer 18 herrschenden Unterdruck kann ein Teil der Flüssigkeit aus der vierten Fluidkammer 26 in die zweite Fluidkammer 18 zurücktransferiert werden, wie durch einen Pfeil 68 in 2C angedeutet ist, was jedoch für gewünschte Funktionalität unerheblich ist.
  • Bei Beispielen kann das Drehen des Fluidikmoduls, das die in den 2A bis 2C gezeigten Fluidikstrukturen aufweist, zunächst mit einer ersten Rotationsgeschwindigkeit erfolgen, bei der ein Teil der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 transferiert wird. Danach kann ein Ändern der Rotationsgeschwindigkeit erfolgen, um die Flüssigkeit mittels Trägheit aus dem ersten Kammerabschnitt 18a in den zweiten Kammerabschnitt 18b zu transferieren, beispielsweise durch Beschleunigen oder Abbremsen des Fluidikmoduls. Der Transfer der Flüssigkeit von der zweiten Fluidkammer 18 in die vierte Fluidkammer 26 kann dann bei einer zweiten Rotationsgeschwindigkeit erfolgen, die geringer ist als die erste Rotationsgeschwindigkeit, so dass Flüssigkeit über die dritte fluidische Verbindung 38 in die vierte Fluidkammer gelangt und keine Flüssigkeit mehr über die erste fluidische Verbindung 28 aus der ersten Fluidkammer 14 in die zweite Fluidkammer 18 gelangt. Der dadurch erzeugte Unterdruck kann ausreichen, um Flüssigkeit über den Siphon 50 aus der ersten Fluidkammer 14 in die dritte Fluidkammer 22 zu ziehen. Bei Beispielen kann die Rotationsgeschwindigkeit auf eine dritte Rotationsgeschwindigkeit gesenkt werden, die geringer ist als die zweite Rotationsgeschwindigkeit, um den invertierten Siphon zu primen. Somit kann bei Beispielen eine hohe Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden, um Flüssigkeit über die erste fluidische Verbindung 28 zu transferieren, eine mittlere Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden, um Flüssigkeit über die dritte fluidische Verbindung 38 zu transferieren, und eine niedrige Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden, während Flüssigkeit über die zweite fluidische Verbindung 32 transferiert wird.
  • Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 3A bis 3C ein weiteres Beispiel eines Fluidikmoduls beschrieben, das sich von dem in den 2A bis 2C gezeigten Beispiel hinsichtlich der zweiten Fluidkammer und der dritten fluidischen Verbindung unterscheidet. Insofern wird im Folgenden insbesondere auf die Unterschiede eingegangen, während die übrigen Elemente den Bezug nehmend auf die 2A bis 2C beschriebenen Elementen entsprechen, so dass eine nochmalige Beschreibung derselben weggelassen wird. Bei dem in den 3A bis 3B gezeigten Beispiel weisen die zweiten Fluidikstrukturen die zweite Fluidkammer 18 auf und die dritte fluidische Verbindung 38 weist einen invertierten Siphon 70 auf. Ein radial äußerer Abschnitt der zweiten Fluidkammer 18 ist über den invertierten Siphon 70 mit einem radial äußeren Abschnitt der vierten Fluidkammer 26 verbunden. Die zweite Fluidkammer 18 ist über einen luftführenden Widerstandskanal 72 belüftet. Der Siphon 70 ist ausgebildet, um einen Transfer von Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer 18 in die vierte Fluidkammer 26 zu ermöglichen, wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt. Das Ereignis kann beispielsweise das Erreichen eines bestimmten Füllstandes in der zweiten Fluidkammer 2 sein. Alternativ kann das Ereignis ein Absenken der Rotationsgeschwindigkeit umfassen, so dass der Siphon 70 durch Kapillarkräfte, die die Zentrifugalkraft überwiegen, benetzt wird. Im Betrieb wird, wie in 3A gezeigt ist, zunächst ein Teil der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer durch den Widerstandskanal der ersten fluidischen Verbindung 28 in die zweite Fluidkammer 18 getrieben. Überschüssige Luft wird über den luftführenden Widerstandskanal 72 abgeführt. Bei einem bestimmten Füllstand in der zweiten Fluidkammer 18 wird der Scheitel des Siphons 70 benetzt und die Flüssigkeit über den Siphon 70 der dritten fluidischen Verbindung 38 in die vierte Fluidkammer 26 geschaltet, Pfeil 74 in 3B. Dadurch entsteht in den Kammern 18 und 22 ein Unterdruck. Zu diesem Zweck weist der luftführende Widerstandskanal einen ausreichend großen Luftwiderstand auf. Dieser Unterdruck führt dazu, dass die restliche Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 den Siphon 50 benetzt und die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 14 über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert wird, Pfeil 76 in 3C.
  • Auch bei dem in den 3A bis 3C gezeigten Beispiel kann zum Transfer der Flüssigkeit über die erste fluidische Verbindung eine hohe Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden, zum Transfer der Flüssigkeit über die dritte fluidische Verbindung eine zweite Rotationsgeschwindigkeit, die geringer ist als die erste Rotationsgeschwindigkeit, verwendet werden, und zum Transfer der Flüssigkeit über die zweite fluidische Verbindung eine dritte Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden, die geringer ist als die zweite Rotationsgeschwindigkeit.
  • Ein Anwendungsbeispiel für die Bezug nehmend auf die 2A bis 3C beschriebenen Strukturen kann beispielsweise eine Nukleinsäureaufreinigung mittels eines sogenannten Bind-Wash-Elute-Verfahrens sein. Dabei kann in die erste Fluidkammer 14 eine Nukleinsäure-bindende Matrix vorgelagert werden, beispielsweise Beads oder ein Silikagewebe. Die Probe kann durch die erste Fluidkammer 14 gespült werden, so dass die Nukleinsäuren an die Matrix binden. Anschließend können Waschlösungen durch die erste Fluidkammer 14 gespült werden, um Verunreinigungen zu entfernen. Danach kann eine Elutionslösung in die erste Fluidkammer 14 zugegeben werden, um die gereinigten Nukleinsäuren zu eluieren. Die zuvor verwendeten Lösungen können dann zur Erzeugung des Unterdrucks eingesetzt werden, um das Eluat der Elutionslösung in die dritte Fluidkammer 22 zu transferieren.
  • Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 4A bis 4C ein weiteres Beispiel eines Fluidikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben, wobei wiederum nur auf Unterschiede relativ zu dem in den 2A bis 2C gezeigten Beispiel Bezug genommen wird, während eine Beschreibung der übrigen Teile weggelassen wird. Das in den 4A bis 4C gezeigte Beispiel unterscheidet sich von dem in den 2A bis 2C gezeigten Beispiel durch den Aufbau der ersten Fluidkammer und der ersten fluidischen Verbindung. Bei dem in den 4A bis 4C gezeigten Beispiel ist eine Einlasskammer eine Filterkammer mit einer Filtermembran. 4A zeigt im rechten Bereich derselben schematisch einen Querschnitt durch eine Filterkammer mit einer Filtermembran 80, die eine Filterkammer 82 in eine eingangsseitige (obere) Kammer 84 und eine ausgangsseitige (untere) Kammer 86 teilt. Im linken Teil von 4A und den 4B und 4C sind die eingangsseitige Kammer 84 und die ausgangsseitige Kammer 86 aus Darstellungsgründen versetzt zueinander dargestellt, obwohl die eingangsseitige Kammer 84 und die ausgangsseitige Kammer 86 in der Realität vollständig überlappen können. Die eingangsseitige Kammer 84 stellt die erste Fluidkammer 14 des Fluidikmoduls dar. Die eingangsseitige Kammer 84 kann an einem radial inneren Abschnitt über einen Einfüllkanal 90 mit einer Einfüllöffnung 92 verbunden sein. Die eingangsseitige Kammer 84 ist ferner über die zweite fluidische Verbindung 32 mit der dritten Fluidkammer 22 fluidisch verbunden. Die erste fluidische Verbindung 28 weist bei diesem Beispiel die Filtermembran 80, die ausgangsseitige Kammer 86 und einen Fluidkanal 94, der einen radial äußeren Abschnitt der ausgangsseitigen Kammer 86 mit einem radial inneren Abschnitt der zweiten Fluidkammer 2 fluidisch verbindet. Die Filtermembran 80 kann bei diesem Beispiel den fluidischen Widerstand der ersten fluidischen Verbindung 28 bilden. Bei Beispielen können die Filtermembran 80 und der Fluidkanal 94 zusammen den fluidischen Widerstand der ersten fluidischen Verbindung 28 bilden.
  • Im Betrieb wird Flüssigkeit mittels Zentrifugalkräften über den fluidischen Widerstand der Filtermembran 80 durch die ausgangsseitige Kammer 86 und den Fluidkanal 94 in die zweite Fluidkammer 18 gepresst, wie durch einen Pfeil 100 in 4A gezeigt ist. Nachfolgend wird wie bei dem in den 2A bis 2C gezeigten Beispiel die Flüssigkeit aus dem ersten Kammerabschnitt 18a der zweiten Fluidkammer 18 in den zweiten Kammerabschnitt 18b der zweiten Fluidkammer 18 transferiert. Ist ein bestimmtes Volumen der Flüssigkeit filtriert, wird das Permeat zum Erzeugen des Unterdrucks verwendet, indem es von dem zweiten Kammerabschnitt 18b der zweiten Fluidkammer 18 über die dritte fluidische Verbindung 38 in die vierte Fluidkammer 26 transferiert wird, siehe Pfeil 64 in 4B. Durch den Unterdruck wird der Siphon 50 der zweiten fluidischen Verbindung 32 benetzt (primed), Pfeil 102. Im Anschluss wird der Rest der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 84, 14 über die zweite fluidische Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert, Pfeil 104.
  • Bei dem in den 4A bis 4C gezeigten Fluidikmodul wirkt insbesondere die Filtermembran als fluidischer Widerstand. Selbst wenn die verbliebene Flüssigkeit in der Filterkammer 82 nicht die gesamte Kammer füllt, ist die Filtermembran 80 dennoch mit Flüssigkeit benetzt und stellt dadurch einen hohen Widerstand für Luft dar, so dass der Unterdruck zwischen der ersten Fluidkammer 14, 84 und der zweiten Fluidkammer 18 nicht über den Filter ausgeglichen werden kann. Der Unterdruck führt also dazu, dass das Filter-Retentat über den Siphon 50 der zweiten fluidischen Verbindung 32 in die dritte Fluidkammer 22 transferiert wird.
  • Eine mögliche Anwendung des in den 4A bis 4B gezeigten Beispiels ist eine Filtration einer Flüssigkeit, mit dem Ziel Partikel aus der Flüssigkeit zu konzentrieren und zu reinigen. Die Flüssigkeit und etwaige Waschlösungen können durch die Filtermembran gepresst werden. Ein Teil der Flüssigkeit mit den zurückgehaltenen Partikeln bleibt auf dem Filter zurück. Das Permeat kann dann zum Erzeugen eines Unterdrucks eingesetzt werden, um das Retentat in die Zielkammer 22 zu transferieren.
  • Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass eine andere Kombination von Merkmalen der beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich ist. Beispielsweise könnten bei dem in den 4A bis 4C gezeigten Beispiel die zweite Fluidkammer 18 und die dritte fluidische Verbindung 38 entsprechend dem in den 3A bis 3B gezeigten Beispiel ausgebildet sein.
  • Auch bei dem in den 4A bis 4C gezeigten Beispiel kann in der ersten Phase, in der Flüssigkeit über die erste fluidische Verbindung transferiert wird, eine erste Rotationsgeschwindigkeit, in der zweiten Phase, in der Flüssigkeit über die dritte fluidische Verbindung transferiert wird, eine zweite Rotationsgeschwindigkeit, die geringer ist als die erste Rotationsgeschwindigkeit, und in der dritten Phase, in der Flüssigkeit über die zweite fluidische Verbindung transferiert wird, eine dritte Rotationsgeschwindigkeit, die geringer ist als die zweite Rotationsgeschwindigkeit, verwendet werden.
  • Bezug nehmend auf die 5A und 5B werden nun Beispiele von zentrifugal-mikrofluidischen Systemen beschrieben, die ein Fluidikmodul, wie es hierin beschrieben ist, verwenden bzw. aufweisen. Mit anderen Worten kann das Fluidikmodul bei den Systemen in den 5A und 5B ein beliebiges der hierein beschrieben Fluidikmodule sein.
  • 5A zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul 110 in Form eines Rotationskörpers, der ein Substrat 112 und einen Deckel 114 aufweist. Das Substrat 112 und der Deckel 114 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 110 über eine übliche Befestigungseinrichtung 116 an einem rotierenden Teil 118 einer Antriebsvorrichtung 120 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 118 ist drehbar an einem stationären Teil 122 der Antriebsvorrichtung 120 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 120 kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge, die eine einstellbare Drehgeschwindigkeit aufweisen kann, oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 124 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 120 zu steuern, um den Rotationskörper 110 mit einer Rotation oder mit Rotationen unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 124 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 124 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 120 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 124 konfiguriert sein, um die Antriebsvorrichtung 120 zu steuern, um den Rotationskörper mit der erforderlichen Rotation zu beaufschlagen, um Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 120 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
  • Der Rotationskörper 110 weist die erforderlichen Fluidikstrukturen auf. Die erforderlichen Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 114, dem Substrat 112 oder in dem Substrat 112 und dem Deckel 114 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 112 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 114 gebildet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet.
  • Bei einem alternativen in 5B gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 132 in einen Rotor 130 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 130 den Rotationskörper 110. Die Fluidikmodule 132 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 130 und die Fluidikmodule 132 gebildete Rotationskörper 110 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 120, die durch die Steuereinrichtung 124 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
  • In den 5A und 5B ist das Rotationszentrum, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, wiederum mit R bezeichnet.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die Fluidikstrukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 110 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper aus einem Thermoplast, wie z.B. PP (Polypropylen), PC, COP (Cyclic Olefin Polymer), COC (Cyclo Olefin Copolymer) oder PS (Polystyrol) gebildet sein.
  • Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit Vorrichtungen und Verfahren zum gezielten Schalten von Flüssigkeiten in zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen. Dabei können vermittels der beschriebenen Strukturen in Verbindung mit den beschriebenen Verfahren auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik mehrere Anforderungen an die Einheitsoperation des Zurückhaltens und späteren gezielten Weiterschaltens einer Flüssigkeit gleichzeitig erfüllt werden. Es existieren Möglichkeiten, den Schaltprozess unter Verwendung verschiedener Veränderungen der Prozessbedingungen (Volumensiphon, Trägheit) zu initiieren. Es besteht die Möglichkeit, einen Unterdruck mit einer nicht mehr benötigten Abfallflüssigkeit zu erzeugen. Daneben besteht die Möglichkeit, den Unterdruck unter Verwendung eines Teils der Prozessflüssigkeit, der nicht mehr benötigt wird, zu erzeugen. Es besteht die Möglichkeit, weitergehende Anpassungen der fluidischen Struktur vorzunehmen, um notwendige Prozessbedingungen für die Auslösung eines Schaltprozesses in weiten Bereichen zu bestimmen. Die zugehörigen fluidischen Strukturen können in einer zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche monolithisch realisiert werden. Die fluidischen Strukturen können ferner derart ausgestaltet werden, dass das Funktionsprinzip weitgehend unabhängig gegenüber Flüssigkeits- und Kartuschenmaterial-Eigenschaften ist. Dies umfasst insbesondere den Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial sowie die Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit.
  • Beispiele der Offenbarung schaffen einen Rotationskörper mit einer Struktur, die eine erste Anzahl an Kammern als Flüssigkeitsreservoire oder Reaktionskammern enthält, eine zweite Anzahl an Kammern, wobei die erste Anzahl an Kammern mit der zweiten Anzahl an Kammern durch einen Kanal oder ein weiteres Hindernis (z.B. Filtermembran) mit einem hohen fluidischen Widerstand verbunden ist, wobei die zweite Anzahl an Kammern mit einer vierten Anzahl Kammern verbunden ist, so dass nach Eintreten des Fluids aus der zweiten Anzahl an Kammern in die vierte Anzahl an Kammern unter Rotation ein Unterdruck in der zweiten Anzahl an Kammern entsteht und eine weitere Verbindung von der zweiten Anzahl an Kammern in eine dritte Anzahl an Kammern besteht, wobei die dritte Anzahl an Kammern mit der ersten Anzahl an Kammern durch eine Barriere, wie z.B. einen Siphon, verbunden ist, wobei der Unterdruck von der zweiten Anzahl an Kammern in die dritte Anzahl an Kammern transferiert wird und somit aufgrund dieses Unterdruckes die Barriere überwunden, beispielsweise der Siphon mit Flüssigkeit gefüllt wird, und nachfolgend die Flüssigkeit aus der ersten Anzahl an Kammer direkt in die dritte Anzahl an Kammern transferiert wird.
  • Bei Beispielen einer solchen Struktur ist die Verbindung von der zweiten Anzahl an Kammern zu der vierten Anzahl an Kammern ein Siphon, der ab einem bestimmten Volumen, das in die zweite Anzahl an Kammern eingeströmt ist, befüllt wird und damit die Erzeugung des Unterdruckes initiiert wird. Bei anderen Beispielen einer solchen Struktur weist die zweite Anzahl an Kammern eine Trennwand auf, die durch die bei Änderung der Rotation entstehende Eulerkraft durch die Flüssigkeit überströmt wird, die auf der hinter der Trennwand gelegenen Verbindung zu der vierten Anzahl an Kammern strömt, wodurch der Unterdruck in der zweiten Anzahl an Kammern erzeugt wird. Bei Beispielen einer solchen Struktur stellt das Hindernis mit hohem fluidischen Widerstand zwischen der ersten Anzahl an Kammern und der zweiten Anzahl an Kammern eine Filtermembran dar. Bei Beispielen stellt das Hindernis mit hohem fluidischen Widerstand zwischen der ersten Anzahl an Kammern und der zweiten Anzahl an Kammern einen Kanal mit einem Durchmesser kleiner als 100 µm dar.
  • Obwohl Merkmale der Erfindung jeweils anhand von Vorrichtungsmerkmalen oder Verfahrensmerkmalen beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, dass entsprechende Merkmale jeweils auch Bestandteil eines Verfahrens oder einer Vorrichtung sein können. So kann jeweils die Vorrichtung konfiguriert sein, um entsprechende Verfahrensschritte durchzuführen, und die jeweilige Funktionalität der Vorrichtung kann entsprechende Verfahrensschritte darstellen
  • In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
  • Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zwecke der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.

Claims (14)

  1. Fluidikmodul (10) mit folgenden Merkmalen: ersten Fluidikstrukturen (12) mit einer ersten Fluidkammer (14, 84), zweiten Fluidikstrukturen (16) mit einer zweiten Fluidkammer (18), einer ersten fluidischen Verbindung (28) mit einem fluidischen Widerstand (30, 80) zwischen der ersten Fluidkammer (14, 84) und der zweiten Fluidkammer (18), dritten Fluidikstrukturen (20) mit einer dritten Fluidkammer (22), einer zweiten fluidischen Verbindung (32) zwischen der ersten Fluidkammer (14, 84) und der dritten Fluidkammer (22), wobei die zweite fluidische Verbindung (32) eine Barriere (34) aufweist, einem Druckausgleichskanal (36) zwischen der zweiten Fluidkammer (18) und der dritten Fluidkammer (22), und vierten Fluidikstrukturen (24) mit einer vierten Fluidkammer (26), die über eine dritte fluidische Verbindung (38) mit den zweiten Fluidikstrukturen (16) verbunden ist, wobei Flüssigkeit (F) unter Rotation zentrifugal aus der ersten Fluidkammer (14, 84) durch den fluidischen Widerstand (30, 80) der ersten fluidischen Verbindung (28) in die zweite Fluidkammer (18) transferierbar ist, während durch die Barriere (34) der zweiten fluidischen Verbindung (32) zunächst verhindert ist, dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (14, 84) in die dritte Fluidkammer (22) gelangt, wobei zumindest ein Teil der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer (18) über die dritte fluidische Verbindung (38) unter Rotation in die vierte Fluidkammer (26) transferierbar ist, um einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer (18) und der dritten Fluidkammer (22), die über den Druckausgleichskanal (36) mit der zweiten Fluidkammer (18) verbunden ist, zu erzeugen, und wobei die Barriere (34) in der zweiten fluidischen Verbindung (32) ausgelegt ist, um aufgrund des erzeugten Unterdrucks in der zweiten Fluidkammer (18) und der dritten Fluidkammer (22) von Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (14, 84) überwunden zu werden, um Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (14, 84) über die zweite fluidische Verbindung (32) in die dritte Fluidkammer (22) zu transferieren.
  2. Fluidikmodul nach Anspruch 1, bei dem die Barriere (34) der zweiten fluidischen Verbindung (32) einen invertierten Siphon (50), ein Kapillarventil, ein geometrisches Ventil oder einen Fluidkanal, dessen Mündung in die dritte Fluidkammer (22) radial weiter innen liegt als dessen Mündung in die erste Fluidkammer (14, 84), aufweist.
  3. Fluidikmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die dritte fluidische Verbindung (38) einen invertierten Siphon (70) aufweist.
  4. Fluidikmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweiten Fluidikstrukturen (16) eine Trennwand (52) zwischen einem ersten Kammerabschnitt (18a) der zweiten Fluidkammer (18), in den die erste fluidische Verbindung (28) mündet, und einem zweiten Kammerabschnitt (18b) der zweiten Fluidkammer (18), in den die dritte fluidische Verbindung (38) mündet, aufweisen, die durch die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer (18) aufgrund einer Eulerkraft, die durch eine Änderung einer Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls (10) entsteht, überströmbar ist.
  5. Fluidikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste fluidische Verbindung (28) einen Fluidkanal mit einem Flussquerschnitt von weniger als 40000 µm2 aufweist.
  6. Fluidikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste fluidische Verbindung (28) eine Filtermembran (80) und eine Fluidkammer (86), die durch die Filtermembran (80) von der ersten Fluidkammer (84) getrennt ist, aufweist.
  7. Fluidikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in der ersten Fluidkammer (14) eine Biomolekül- oder Zell-bindende Matrix angeordnet ist.
  8. Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeit unter Verwendung eines Fluidikmoduls (10), das erste Fluidikstrukturen (12) mit einer ersten Fluidkammer (14, 84), zweite Fluidikstrukturen (16) mit einer zweiten Fluidkammer (18), eine erste fluidische Verbindung (28) mit einem fluidischen Widerstand (30) zwischen der ersten Fluidkammer (14, 84) und der zweiten Fluidkammer (18), dritte Fluidikstrukturen (20) mit einer dritten Fluidkammer (22), eine zweite fluidische Verbindung (32) zwischen der ersten Fluidkammer (14, 84) und der dritten Fluidkammer (22), wobei die zweite fluidische Verbindung (32) eine Barriere (34) aufweist, einen Druckausgleichskanal (36) zwischen der zweiten Fluidkammer (18) und der dritten Fluidkammer (22), und vierte Fluidikstrukturen (24) mit einer vierten Fluidkammer (26), die über eine dritte fluidische Verbindung (38) mit den zweiten Fluidikstrukturen (16) verbunden ist, aufweist, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: Drehen des Fluidikmoduls (10), um Flüssigkeit zentrifugal aus der ersten Fluidkammer (14, 84) durch die erste fluidische Verbindung (28) in die zweite Fluidkammer (18) zu transferieren, während die Barriere (34) der zweiten fluidischen Verbindung (32) zunächst verhindert, dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (14, 84) in die dritte Fluidkammer (22) gelangt, und zumindest einen Teil der Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer (18) über die dritte fluidische Verbindung (38) in die vierte Fluidkammer (26) zu transferieren, um einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer (18) und der dritten Fluidkammer (22), die über den Druckausgleichskanal (36) mit der zweiten Fluidkammer (18) verbunden ist, zu erzeugen, wobei aufgrund des erzeugten Unterdrucks in der zweiten Fluidkammer (18) und der dritten Fluidkammer (22) Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (14, 84) die Barriere (34) der zweiten fluidischen Verbindung (32) überwindet und über die zweite fluidische Verbindung (32) in die dritte Fluidkammer (22) transferiert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Drehen des Fluidikmoduls (10) ein Drehen bei einer ersten Rotationsgeschwindigkeit, um die Flüssigkeit von der ersten Fluidkammer (14, 84) in die zweite Fluidkammer (18) zu transferieren, und ein Drehen bei einer zweiten, von der ersten Rotationsgeschwindigkeit verschiedenen Rotationsgeschwindigkeit, um die Flüssigkeit aufgrund des erzeugten Unterdrucks aus der ersten Fluidkammer (14, 84) in die dritte Fluidkammer (22) zu transferieren, aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Barriere (34) der zweiten fluidischen Verbindung (32) einen invertierten Siphon (50), ein Kapillarventil, ein geometrisches Ventil oder einen Fluidkanal, dessen Mündung in die dritte Fluidkammer (22) radial weiter innen liegt als dessen Mündung in die erste Fluidkammer (14, 84), aufweist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die dritte fluidische Verbindung (38) einen invertierten Siphon (70) aufweist, wobei Flüssigkeit zumindest bis zu einem solchen Füllstand in die zweite Fluidkammer (18) transferiert wird, dass der Scheitel des invertierten Siphons (70) vollständig benetzt wird und die Flüssigkeit in die vierte Fluidkammer (26) geschaltet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die zweiten Fluidikstrukturen (16) eine Trennwand (52) zwischen einem ersten Kammerabschnitt (18a) der zweiten Fluidkammer (18), in den die erste fluidische Verbindung (28) mündet, und einem zweiten Kammerabschnitt (18b) der zweiten Fluidkammer (18), in den die dritte fluidische Verbindung mündet (38), aufweisen, wobei das Drehen ein Ändern der Rotationsgeschwindigkeit aufweist, um zu bewirken, dass die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer (18) aufgrund einer Eulerkraft die Trennwand (52) überströmt und in die vierte Fluidkammer (26) geschaltet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die erste fluidische Verbindung (28) eine Filtermembran (80) und eine Fluidkammer (86), die durch die Filtermembran (80) von der ersten Fluidkammer (84) getrennt ist, aufweist, wobei das Drehen durchgeführt wird, um ein Permeat, das die Filtermembran (80) passiert, in die zweite Fluidkammer (18) zu transferieren, und ein Retentat, das von der Membran (80) zurückgehalten wird, mit der Flüssigkeit aufgrund des erzeugten Unterdrucks aus der ersten Fluidkammer (84) über die zweite fluidische Verbindung (32) in die dritte Fluidkammer (22) zu transferieren.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, das folgende Merkmale aufweist: Einbringen einer Probenflüssigkeit in die erste Fluidkammer (14, 84), die eine Biomolekül- oder Zell-bindende Matrix aufweist, um Biomoleküle oder Zellen an der Matrix zu binden, Durchführen des Drehens des Fluidikmoduls (10), um die Probenflüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (14, 84) in die zweite Fluidkammer (18) zu transferieren; Einbringen einer Waschlösung in die erste Fluidkammer (14, 84), um Verunreinigungen zu entfernen, Durchführen des Drehens, um die Waschlösung aus der ersten Fluidkammer (14, 84) in die zweite Fluidkammer (18) zu transferieren, Einbringen einer Elutionslösung oder eines Lysereagenz in die erste Fluidkammer (14, 84), um die gereinigten Biomoleküle zu eluieren oder Zellen zu lysieren und ein Eluat oder Lysat zu erzeugen, Durchführen des Drehens, um die Waschlösung und die Probenlösung zumindest teilweise aus der zweiten Fluidkammer (18) in die vierte Fluidkammer (26) zu transferieren, um den Unterdruck zu erzeugen und dadurch das Eluat oder Lysat aus der ersten Fluidkammer (14) in die dritte Fluidkammer (22) zu transferieren.
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