-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft mikrofluidische Vorrichtungen, in welchen Flüssigkeiten bereitgestellt oder transportiert werden. Solche mikrofluidischen Vorrichtungen können beispielsweise bei sogenannten Lab-on-a-Chip-Systemen (LoCs) Anwendung finden, in denen die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem beispielsweise kreditkartengroßen Kunststoffsubstrat (LoC-Kartusche) untergebracht wird und komplexe biologische, diagnostische, chemische oder physikalische Prozesse miniaturisiert ablaufen können. Üblicherweise werden dabei Reagenzien bis zu einer Verwendung in der Vorrichtung vorgelagert. Für automatisierte Fertigungslinien kann der Fertigungsaufwand minimiert werden, indem nicht jedes Reagenz einzeln, sondern mehrere Reagenzien gleichzeitig in die Vorrichtung eingesetzt werden. Dafür wird eine fluidische Verbindung der einzelnen Aufnahmekammern für die Reagenzien in Kauf genommen. Beispielsweise beschreibt die Offenlegungsschrift
DE 10 2017 219 178 A1 eine mikrofluidische Vorrichtung mit drei fluidisch verbundenen Kammern zur parallelen Aufnahme von Reagenzriegeln.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung einen mikrofluidischen Aufnahmebehälter, in welchen ein Reagenzbehälter aufgenommen werden kann. Der Aufnahmebehälter umfasst eine erste Aufnahmekammer, wobei eine Wand der ersten Aufnahmekammer einen Vorsprung zur Beabstandung des Reagenzbehälters aufweist.
-
Der Aufnahmebehälter kann vorzugsweise Teil einer mikrofluidischen Vorrichtung, insbesondere einer Lab-on-Chip-Kartusche sein, insbesondere ein Einsetzteil oder alternativ ein mit der Vorrichtung fest verbundenes Teil. Die Erfindung betrifft somit auch eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Aufnahmebehälter. Der Aufnahmebehälter kann insbesondere aus Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat, gefertigt sein und neben der ersten Aufnahmekammer weitere Aufnahmekammern zur Aufnahme mehrerer voneinander getrennten Reagenzien umfassen, insbesondere zur Aufnahme von Reagenzriegeln. Die Aufnahmekammern können beispielsweise einen runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen somit ein zylinder- bzw. quaderförmiges Volumen umschließen.
-
Der erfindungsgemäße Aufnahmebehälter hat den Vorteil, dass durch den Vorsprung ein Abstand zwischen der Aufnahmekammer und dem aufgenommenen Reagenzbehälter realisiert wird. Damit kann der Reagenzbehälter vorteilhaftweise bezüglich der Wand wohldefiniert ausgerichtet, insbesondere von der Wand beabstandet, und vorzugsweise in der Aufnahmekammer zentriert positioniert werden. Dazu kann die Aufnahmekammer in bevorzugter Ausgestaltung mindestens einen zweiten Vorsprung an einer zweiten Wand aufweisen, insbesondere an einer der ersten Wand gegenüberliegenden Wand. Ferner kann die Größe des Vorsprungs vorzugsweise derart bemessen sein, dass ein kapillares Kriechen von Flüssigkeit zwischen der Wand und dem Reagenzbehälter vorteilhafterweise reduziert oder ganz verhindert wird. Durch die Vorsprünge wird insbesondere eine variierende Breite des Spalts zwischen der Wand der Aufnahmekammer und dem aufgenommenen Reagenzbehälter realisiert. Durch die nicht konstante Spaltbreite und insbesondere die Vorsprünge wird ein kapillares Fortschreiten von Flüssigkeit in dem Spalt vorteilhafterweise behindert, indem insbesondere ein kapillarer Meniskus der Flüssigkeit an den Vorsprüngen festgehalten wird, was auch als Pinning bezeichnet wird. Diese Wirkung des Vorsprungs als Kapillarstopp hat den Vorteil, dass nur wenig oder gar keine Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft aus der oftmals nicht vollständig abgeschlossenen Aufnahmekammer austreten und insbesondere nicht in eine benachbarte Aufnahmekammer eintreten und dabei ein anderes Reagenz kontaminieren kann, was auch als Quersprechen zwischen Kammern bezeichnet wird und eine bestimmungsgemäße Verwendung der Vorrichtung kompromittieren könnte. Vorzugsweise wird eine Größe des Vorsprungs so gewählt, dass eine Breite des Spalts zwischen der Wand der Aufnahmekammer und dem aufgenommenen Reagenzbehälter zwischen 0,1 Millimeter und 0,5 Millimeter, bevorzugt zwischen 0,1 Millimeter und 1,0 Millimeter ganz bevorzugt zwischen 0,1 Millimeter und 1,5 Millimeter variiert. Dazu kann der Vorsprung gemäß besonders vorteilhafter Ausgestaltung mindestens 0,1 Millimeter, bevorzugt mindestens 0,3 Millimeter, ganz bevorzugt mindestens 0,5 Millimeter von der Wand in die erste Aufnahmekammer vor- oder hineinragen. Gemäß besonderer Ausgestaltung sind der Vorsprung und ein in den Aufnahmebehälter aufzunehmender oder aufgenommener Reagenzbehälter derart zueinander ausgebildet, dass ein Spalt zwischen Vorsprung und Reagenzbehälter maximal 1 Millimeter, vorzugsweise maximal 0,5 Millimeter, ganz bevorzugt maximal 0,1 Millimeter sein kann. Mit anderen Worten ist die Größe des Vorsprungs und zumindest eine Ausdehnung des Reagenzbehälters so gewählt, dass der in dem Aufnahmebehälter, insbesondere in der Aufnahmekammer aufgenommene Reagenzbehälter in Bezug zum Vorsprung derart bewegt werden kann, dass sich ein maximaler Abstand zwischen Vorsprung und Reagenzbehälter von 1 Millimeter, vorzugsweise 0,5 Millimeter, ganz bevorzugt 0,1 Millimeter ergibt. Vorzugsweise ragt der Vorsprung derart weit vor und ist eine Ausdehnung des Reagenzbehälters derart bemessen, dass sich eine maximale Breite des Spalts zwischen der Wand und dem aufgenommenen Reagenzbehälter im Bereich des Spalts um mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, ganz bevorzugt mindestens 90% reduziert. Eine solche deutliche relative Änderung der Spaltbreite unterstützt vorteilhafterweise eine Vermeidung eines Hochkriechens von Flüssigkeit über den Vorsprung hinweg.
-
Der Vorsprung weist bevorzugt die Form einer Rippe auf, also insbesondere die Form einer sich entlang der Wand erstreckenden länglichen Wölbung, vorzugsweise länglich parallel zum Boden der Aufnahmekammer, insbesondere zur Vermeidung eines vertikal zum Boden erfolgenden kapillaren Kriechens von Flüssigkeit. Mit anderen Worten ist der Vorsprung als Rippenstruktur ausgeformt. Beispielsweise hat der Vorsprung eine Breite zwischen 1 und 5 Millimeter, beispielsweise 2 Millimeter und ragt dabei, wie oben beschrieben, mindestens 0,1 bis mindestens 0,5 Millimeter von der Wand in die Aufnahmekammer hinein. Die Aufnahmekammer kann an einer oder mehreren Wänden in bevorzugter Ausgestaltung auch mehrere Vorsprünge aufweisen, wobei an einer oder mehreren Wänden mehrere Vorsprünge vorzugsweise in Rippenform ausgebildet und/oder vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Beispielsweise beträgt ein Abstand zwischen zwei parallel ausgerichteten Vorsprüngen zwischen 1 und 5 Millimeter. Der Vorsprung weist bevorzugt eine oder mehrere Kanten auf. Dazu kann der Querschnitt eines oder mehrere Vorsprünge insbesondere eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen.
-
Die Aufnahmekammern können beispielsweise einen runden, ovalen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen und somit ein zylinder- bzw. quaderförmiges Volumen umschließen. Der Vorsprung kann bezogen auf eine Öffnung (zum Einführen des Reagenzbehälters) der Aufnahmekammer beispielsweise in dem der Öffnung nächstgelegenen Drittel der Wand der Aufnahmekammer (oberes Drittel) oder in dem Boden der Aufnahmekammer nächstgelegenen Drittel (unteres Drittel) der Wand oder dazwischen (im mittleren Drittel) angeordnet sein, wobei eine Anordnung im oberen Drittel bevorzugt ist. Bei mehreren Vorsprüngen können diese in verschiedenen Dritteln der Wand angeordnet sein. Gemäß besonderer Ausgestaltung kann sich ein Vorsprung auch zumindest teilweise über zwei benachbarte Wände erstrecken.
-
Gemäß besonderer Ausgestaltung ist mindestens einer der Vorsprünge mit dem Aufnahmebehälter einstückig ausgebildet, beispielsweise als Ergebnis eines (Kunststoff-)Spritzgießprozesses. Insbesondere können dabei alle Vorsprünge einstückig mit dem Aufnahmebehälter ausgebildet sein, bevorzugt als einstückiges Spritzgieß-Erzeugnis, beispielsweise aus Polycarbonat.
-
Gemäß weiterer besonderer Ausgestaltung können die Wand und/oder der Vorsprung zumindest teilweise eine hydrophobe Beschichtung aufweisen. Unter einer hydrophoben Beschichtung ist dabei vorzugsweise eine Beschichtung zu verstehen, welche hydrophober als eine nicht beschichtete Oberfläche des Aufnahmebehälters, vorzugsweise hydrophober als ein nicht beschichteter Bereich der Wand und/oder des Vorsprungs ist. Beispielsweise handelt es sich um eine Beschichtung umfassend Polytetrafluorethylen, welches insbesondere hydrophober als Polycarbonat ist. Eine solche hydrophobe Beschichtung unterstützt vorteilhafterweise eine Vermeidung eines kapillaren Kriechens von Flüssigkeit.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Aufnahmebehälter mindestens eine zweite Aufnahmekammer auf, welche mit der ersten Aufnahmekammer fluidisch verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass jede Aufnahmekammer einen Reagenzteilbehälter des Reagenzbehälters aufnehmen kann. Insbesondere können damit unterschiedliche Reagenzien in verschiedenen Aufnahmekammern aufgenommen werden. Bevorzugt weisen auch zumindest eine Wand der zweiten Aufnahmekammern und vorzugsweise Wände gegebenenfalls weiterer Aufnahmekammern ein oder mehrere der oben beschriebenen Vorsprünge auf. Dadurch können vorteilhafterweise mehrere Reagenzteilbehälter wohldefiniert in den jeweiligen Aufnahmekammern beabstandet platziert und vorzugsweise positioniert werden und gleichzeitig ein unerwünschtes Quersprechen zwischen den Aufnahmekammern reduziert werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Reagenzbehälter zur Aufnahme in einem mikrofluidischen Aufnahmebehälter, insbesondere in einen erfindungsgemäßen Aufnahmebehälter. Der Reagenzbehälter weist einen Vorsprung zur Beabstandung des Reagenzbehälters auf, insbesondere einen der oben beschriebenen Vorsprünge. Der Vorsprung ist dabei an einer Außenwand des Reagenzbehälters angeordnet, vorzugsweise an einer Außenwand eines Reagenzteilbehälters. Unter einem Reagenzteilbehälter ist insbesondere ein Teil des Reagenzbehälter zu verstehen, welcher eine Reagenz beinhaltet. Bevorzugt kann es sich bei dem Reagenzteilbehälter um einen Reagenzriegel handeln. Wie gemäß oben beschriebener besonderer Ausgestaltung des Aufnahmebehälters können ein oder mehrere der Vorsprünge einstückig mit einem oder mehreren Reagenzteilbehältern und/oder mit dem Reagenzbehälter ausgebildet sein, beispielsweise als Ergebnis eines (Kunststoff-)Spritzgießprozesses, zum Beispiel aus Polycarbonat, Polystyrol, Polypropylen und/oder Cycloolefin-Copolymer.
-
Gemäß besonders bevorzugter Weiterbildung umfasst der Reagenzbehälter mindestens einen ersten Reagenzteilbehälter und einen zweiten Reagenzteilbehälter, insbesondere zur Aufnahme in der ersten Aufnahmekammer beziehungsweise der zweiten Aufnahmekammer, wobei mindestens eine Außenwand eines der Reagenzteilbehälter den Vorsprung aufweist. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Reagenzbehälter mindestens zwei Reagenzriegel als jeweilige Reagenzteilbehälter. Bei einer Aufnahme des Reagenzbehälters in dem Aufnahmebehälter greifen die Reagenzbehälter bzw. Reagenzriegel dabei vorzugsweise wie Finger in die jeweilige Aufnahmekammer ein. Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere eine Lab-on-a-Chip-Kartusche, mit einem erfindungsgemäßen Reagenzbehälter und/oder einem erfindungsgemäßen Aufnahmebehälter.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
-
Es zeigen
- 1, 2 ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Aufnahmebehälters mit aufgenommenen Reagenzbehälter
- 3, 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufnahmebehälters und der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung und
- 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reagenzbehälters.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt eine bekannte Ausformung eines Aufnahmebehälters 10, in welchen ein Reagenzbehälter 20 aufgenommen wurde. Der Reagenzbehälter 20 umfasst in diesem Beispiel drei als Reagenzriegel ausgebildete Reagenzteilbehälter 21, 22, 23, beispielsweise gefüllt mit jeweils einem versiegelten Reagenz für die Durchführung einer Aufbereitung einer biologischen Probe, zum Beispiel Sputum oder Blut, oder für eine Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion. Der Aufnahmebehälter 10 umfasst drei fluidisch miteinander verbundene Aufnahmekammern 11, 12, 13, auch als Reagenzvorlagerungskammern bezeichnet, so dass jeweils eine Aufnahmekammer 11, 12, 13 einen Reagenzteilbehälter 21, 22, 23 bzw. Reagenzriegel 21, 22, 23 aufnimmt. Wie in 1 angedeutet, können sich die Reagenzriegel 21, 22, 23 mit einem gewissen Spiel in der jeweiligen Aufnahmekammer 11, 12, 13 bewegen, so dass die Reagenzriegel 21, 22, 23 im Allgemeinen nicht zentriert, sondern zu einer Wand einer Aufnahmekammer 14 hin versetzt liegen. Ein insbesondere daraus resultierender enger Spalt 30 zwischen den beiden Bauteilen 10, 20 ermöglicht es Fluid 40, aufgrund von Kapillarkräften über das eigentliche Flüssigkeitsniveau 41 hinaus zu steigen und schlussendlich in eine benachbarte Aufnahmekammer 11, 12, 13 einzudringen. Dies ist in einer schematischen Seitenansicht in 2 illustriert, wobei die Bauteile 10, 20 während einer bestimmungsgemäßen Verwendung in einem vorgegebenen Winkel, beispielsweise um 30° in Bezug zum Lot, gekippt sind, was ein unerwünschtes Quersprechen erleichtert.
-
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Aufnahmebehälters 100 mit beispielsweise ebenfalls drei Aufnahmekammern 110, 120, 130, wobei jede Kammer an zwei einander gegenüberliegenden Wänden 111, 112, 121, 122, 131, 132 jeweils zwei Vorsprünge 150 aufweist. Der Aufnahmebehälters 100 kann insbesondere Teil einer mikrofluidischen Vorrichtung 1000, vorzugsweise einer Lab-on-a-Chip-Kartusche, und entweder fest verbunden mit der Vorrichtung 1000 oder als Einsetzteil ausgebildet sein. Die Aufnahmekammern 11, 12, 13 können beispielsweise einen quadratischen Querschnitt aufweisen und somit ein zylinderförmiges Volumen mit vier Wänden umschließen. Alternativ könnten die Aufnahmekammern 11, 12, 13 aber auch einen rechteckigen, mehreckigen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Die Vorsprünge 150 erstrecken sich in diesem Beispiel jeweils nur entlang einer Wand. Alternativ könnten sich die Vorsprünge auch über zwei oder mehr Wände erstrecken. Bei einer Ausführungsform einer Kammer mit rundem oder ovalem Querschnitt können sich ein oder mehrere Vorsprünge ganz um den Querschnitt herum oder auch nur teilweise herum erstrecken. Wie in 3 gezeigt, befindet sich jeweils in jedem Drittel eines der Wände 111, 112, 121, 122, 131, 132 zumindest ein Vorsprung. Dies kann alternativ auch anders ausgestaltet sein.
-
In alternativen Ausgestaltungen können auch nur einige Aufnahmekammern Vorsprünge an ein oder mehreren Wänden aufweisen, wobei auch die Anzahl der Vorsprünge pro Aufnahmekammer je nach Bedarf unterschiedlich gewählt sein kann. In der Querschnittsdarstellung gemäß 3 ist auch dargestellt, dass die Vorsprünge 150 in diesem Beispiel einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt mit jeweils zwei Kanten 151, 152 aufweisen können, wie beispielhaft an einem Vorsprung 150 in 3 angezeigt. Alternativ können die Querschnitte auch eine andere Form haben, beispielsweise eine dreieckige Form mit jeweils nur einer Kante oder eine abgerundete Form. In alternativen Ausgestaltungen können die Vorsprünge keine einheitliche Form, sondern zumindest einige der Vorsprünge zueinander verschiedene Form aufweisen, insbesondere unterschiedliche Querschnitte. Die Anzahl und Form, insbesondere der Querschnitt und die Breite der einzelnen Vorsprünge (Kapillarstopps) kann somit je nach fluidischer Anforderung und/oder dem vorhandenen Platz gewählt werden. In besonderer Ausgestaltung können ein oder mehrere der Vorsprünge einstückig mit einer Wand einer Aufnahmekammer ausgebildet sein, insbesondere als Ergebnis eines (Kunststoff-) Spritzgießprozesses. Beispielsweise ist der Aufnahmebehälter samt Vorsprüngen einstückig aus Polycarbonat, Polystyrol, Polypropylen und/oder Cycloolefin-Copolymer gefertigt.
-
Wie in der in 4 dargestellten Seitensicht einer Aufnahmekammer 110 zu diesem Ausführungsbeispiel illustriert, haben die Vorsprünge 150 beispielsweise eine längliche Form parallel zum Boden 113 der Aufnahmekammer. Die parallelen Vorsprünge 150 weisen somit eine Rippenform oder Rippenstruktur auf. Wie in 2 zeigt 4 eine bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung gegenüber dem Lot verkippte Aufnahmekammer. Aber auch bei einer vertikalen Ausrichtung mit zum Horizont sich parallel erstreckenden Vorsprüngen können die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung genutzt werden. Gemäß besonderer Ausgestaltung weist zumindest ein Bereich eines der Vorsprünge 150, bevorzugt aller Vorsprünge, und/oder zumindest einer der Wände 111, 112, 121, 122, 131, 132 eine hydrophobe Beschichtung auf, beispielsweise umfassend Polytetrafluorethylen. Wenn die Vorsprünge 150 bzw. Wände 111, 112, 121, 122, 131, 132 beispielsweise aus Polycarbonat gefertigt sind, führt die Verwendung von Polytetrafluorethylen als Beschichtung zu einer Erhöhung eines Kontaktwinkels zwischen Wasser (als Beispiel für eine Flüssigkeit) und dem Bereich des Vorsprungs bzw. der Wand von 70° auf über 100°, was ein kapillares Kriechen von Wasser entlang in diesem Bereich deutlich reduziert.
-
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reagenzbehälters 200, welcher auch gemeinsam mit dem erfindungsgemäßen Aufnahmebehälter eingesetzt werden kann. Der Reagenzbehälter 200 umfasst in diesem Beispiel drei Reagenzteilbehälter 210, 220, 230, welche insbesondere als Reagenzriegel ausgestaltet sein können. Ferner umfasst der Reagenzbehälter 200 mehrere Vorsprünge 250 zur Beabstandung des Reagenzbehälters 200, wenn dieser in einem Aufnahmebehälter aufgenommen ist. Diese Vorsprünge 250 sind an einer oder mehreren Außenwänden der Reagenzteilbehälter 210, 220, 230 angeordnet, wie beispielhaft an den Außenwänden 211, 212 eines Reagenzteilbehälters 210 in 5 angezeigt. Die Vorsprünge 250 können dabei insbesondere die Form und/oder Abmessungen der oben beschriebenen Vorsprünge 150 des Aufnahmebehälters 100 aufweisen. Vorsprünge 250 am Reagenzbehälter 200 können somit die gleichen Vorteile wie Vorsprünge 150 am Aufnahmebehälters 100 aufweisen, können aber aus anderen Gründen (leichtere Modifizierbarkeit, Kosten, etc.) vorteilhafter sein. In besonderen Ausgestaltungen können zumindest einige der Vorsprünge 250 in ihrer Form und/oder Abmessung von anderen Vorsprüngen des Reagenzbehälters 200 abweichen und/oder nur einige Wände der Reagenzteilbehälter 210, 220, 230 können Vorsprünge 250 aufweisen. In besonderer Ausgestaltung können ein oder mehrere der Vorsprünge einstückig mit einer Wand eines Reagenzteilbehälters ausgebildet sein, insbesondere als Ergebnis eines (Kunststoff-)Spritzgießprozesses. Beispielsweise ist der Reagenzbehälter samt Vorsprüngen einstückig aus Polycarbonat, Polystyrol, Polypropylen und/oder Cycloolefin-Copolymer gefertigt.
-
Bei einem gemeinsamen Einsatz des erfindungsgemäßen Reagenzbehälters 200 mit dem erfindungsgemäßen Aufnahmebehälter 200 kann beispielsweise der in 5 gezeigte Reagenzbehälter 200 in den in 3 gezeigten Aufnahmebehälter 200 eingesetzt werden. Bei einer solchen besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Vorsprünge 150, 250 vorzugsweise derart an dem jeweiligen Behälter 100, 200 angeordnet, dass sich die Vorsprünge 150 des Aufnahmebehälters 100 und die Vorsprünge 250 des Reagenzbehälters 200 bei aufgenommenen Reagenzbehälter 200 auf gleicher Höhe befinden, sich also gegenüberliegen und somit auf gleichen Höhen den Spalt zwischen Reagenzbehälter 200 und Aufnahmebehälter 100 verengen. Dies verstärkt vorteilhafterweise die Wirkung der Vorsprünge als Kapillarstopps.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017219178 A1 [0001]