DE102022109766A1

DE102022109766A1 - Mikrofluidische Kartusche zur Durchführung wenigstens eines Verarbeitungsschrittes

Info

Publication number: DE102022109766A1
Application number: DE102022109766.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Burger; Martin Schulz; Michael Wolf; Tamara Härpfer; Daniel Mark
Original assignee: Endress Hauser Biosense GmbH; Endress+hauser Biosense GmbH
Current assignee: Endress Hauser Biosense GmbH; Endress+hauser Biosense GmbH
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2023-10-26
Also published as: WO2023202840A1

Abstract

Mikrofluidische Kartusche (1) zur Durchführung wenigstens eines Verarbeitungsschrittes an einer flüssigen Probe aufweisend:- einen flächig ausgebildeten Grundkörper (2), der sich um eine Rotationsachse (3) rotieren lässt und in dem eine mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) ausgebildet ist;- eine in dem Grundkörper befindliche Aufnahmestruktur (5) zur Eingabe der flüssigen Probe, wobei die Aufnahmestruktur (5) derartig ausgebildet ist, dass sie einen offenen Einlassbereich (5a) zur Eingabe der flüssigen Probe, einen Auslassbereich (5b) zur Abgabe der Probe an die Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) und ferner einen Reservoirbereich (5c) zur Aufnahme der flüssigen Probe aufweist, wobei der Auslassbereich (5b) zumindest eine Öffnung (5e) umfasst, durch die die Probe in die Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) fließen kann, und wobei eine Öffnungsgeometrie der zumindest einen Öffnung (5e) derartig ausgeführt ist, dass in einem ruhenden Zustand die Probe in dem Reservoirbereich (5c) gehalten wird und in einem rotierenden Zustand die Probe durch die zumindest eine Öffnung (5e) durch eine Zentrifugalkraft in die Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) eintritt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mikrofluidische Kartusche zur Durchführung wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, ein rotationsbasiertes Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Verarbeitungsschrittes und ein System zum Durchführen wenigstens eines Verarbeitungsschrittes.
Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen. Solche Systeme sind meist Polymer-(Einweg)kartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen mikrofluidische Kanalstrukturen für die Fluidführung und/oder mikrofluidische Kammerstrukturen für das Auffangen von Flüssigkeiten. Die Kartuschen werden in einem rotationsbasierten Verfahren, bei dem die Kartusche mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen (Frequenzprotokoll) durch ein spezielles Prozessiergerät rotiert werden, bearbeitet, so dass durch die Zentrifugalkraft ein entsprechender Verarbeitungs- und/oder Analyseschritt durchgeführt werden kann.
Anwendung kann die zentrifugale Mikrofluidik beispielsweise in chemischen und/oder biochemischen Analysen im Bereich der Prozess- und/oder der Laborautomatisierung finden.
Ein typisches Problem in der zentrifugalen Mikrofluidik ist die Schnittstelle der Kartusche, um die flüssige Probe einzugeben. Wird die flüssige Probe einfach in die Kartusche in einen entsprechenden nach außen hin geöffneten Einlassbereich eingebracht, z.B. durch Pipettieren, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass die Flüssigkeit in Kontakt mit der mikrofluidischen Kanal- und/oder der Kammerstruktur kommt, während die Kartusche sich in einem nicht rotierenden Zustand befindet, d.h. stillsteht. Abhängig von den Benetzungseigenschaften des Einlassbereiches sowie der mikrofluidischen Kanal- und/oder Kammerstruktur führt eine Kapillarkraft dazu, dass sich die Flüssigkeit im Zeitraum weniger Sekunden bis Minuten ungewollt in der Struktur verteilt und damit einen gewünschten Verarbeitungs- und/oder Analyseschritt an der flüssigen Probe verhindert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine mikrofluidische Kartusche für ein rotationsbasiertes Verfahren vorzuschlagen, bei der eine flüssige Probe im ruhenden Zustand der Kartusche nicht in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur eintreten kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die mikrofluidische Kartusche gemäß Patentanspruch 1, das rotationsbasierte Verfahren gemäß Patentanspruch 14, und dem System gemäß Patentanspruch 15.
Die erfindungsgemäße mikrofluidische Kartusche zur Durchführung wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, insbesondere eines Analyseschrittes an einer flüssigen Probe mittels eines zentrifugalen mikrofluidischen Verfahrens, insbesondere eines Analyseverfahrens umfasst:

- einen flächig, vorzugsweise zumindest teilkreisförmig ausgebildeten Grundkörper, der sich um eine Rotationsachse rotieren lässt und in dem eine mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur zur Durchführung des wenigstens einen Verarbeitungsschrittes ausgebildet ist;
- eine in dem Grundkörper befindliche Aufnahmestruktur zur Eingabe der flüssigen Probe, wobei die Aufnahmestruktur derartig ausgebildet ist, dass sie einen nach außen hin offenen Einlassbereich zur Eingabe der flüssigen Probe durch ein abgebendes externes Werkzeug, einen Auslassbereich zur Abgabe der flüssigen Probe an die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur und ferner einen den Einlass- und den Auslassbereich verbindenden Reservoirbereich zur Aufnahme der flüssigen Probe aufweist, wobei der Auslassbereich zumindest eine Öffnung umfasst, durch die die flüssige Probe in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur fließen kann, und wobei eine, vorzugsweise kreisförmige Öffnungsgeometrie der zumindest einen Öffnung derartig ausgeführt ist, dass in einem ruhenden Zustand die flüssige Probe in dem Reservoirbereich gehalten wird und in einem rotierenden Zustand die flüssige Probe durch die zumindest eine Öffnung durch eine Zentrifugalkraft in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur eintritt.

Erfindungsgemäß wird eine mikrofluidische Kartusche vorgeschlagen, die derartig ausgebildet ist, dass ein ungewolltes Eindringen der flüssigen Probe in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur im nicht rotierenden Zustand (ruhenden Zustand) der Kartusche verhindert wird. Hierzu ist eine Aufnahmestruktur in der Kartusche realisiert, in die die flüssige Probe eingebracht werden kann und von der die flüssige Probe durch zumindest eine Öffnung in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur eintreten kann. Die zumindest eine Öffnung ist dabei derartig ausgebildet, dass die flüssige Probe durch die Öffnung in dem Reservoirbereich gehalten wird, so dass diese im ruhenden Zustand nicht in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur eintreten kann. Sobald durch Rotieren der Kartusche eine gewisse Zentrifugalkraft erzeugt wird, überschreitet der von der flüssigen Probe erzeugte Zentrifugaldruck den Kapillardruck an der Öffnung und die flüssige Probe fließt aus der Aufnahmestruktur durch die zumindest eine Öffnung in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur zur Durchführung des Verarbeitungsschritts.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass in die Aufnahmestruktur, insbesondere in dem Auslassbereich der Aufnahmestruktur eine Filterstruktur eingebracht ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Filterstruktur ein schwammartiges oder ein sonstig poröses Material aufweist. Die Filterstruktur dient im Wesentlichen dazu, zwei Effekte zu erzielen. Zum einen kann die Rückhaltekraft erhöht werden, da die flüssige Probe vorübergehend in der Filterstruktur aufgenommen wird, und zum anderen können in der flüssigen Probe enthaltene Schwebstoffe herausgefiltert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die zumindest eine Öffnung eine Öffnungsgeometrie umfasst, die eine Querschnittsfläche kleiner 30 mm², vorzugsweise kleiner 13 mm², besonders bevorzugt kleiner 3,2 mm² aufweist, wobei die Öffnungsgeometrie vorzugsweise kreis- und/oder rechteckförmig ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass der Auslassbereich mehrere Öffnungen umfasst, die zumindest teilweise eine unterschiedliche Öffnungsgeometrie aufweisen. Beispielsweise kann ein Teil der Öffnungen im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein, wohingegen der andere Teil rechteckförmig ausgebildet sein kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die Aufnahmestruktur eine vom Einlassbereich zu dem Auslassbereich konisch zulaufende Struktur aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die Aufnahmestruktur derartig auf bzw. in dem Grundkörper angeordnet ist, dass der Einlassbereich näher zu der Rotationsachse liegt als der Auslassbereich bzw. die zumindest eine Öffnung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die Aufnahmestruktur monolithisch in den Grundkörper integriert ist. Dies kann bspw. während des Spritzgussvorgangs der Kartusche erfolgen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass der Grundkörper aus Cycloolefin-Copolymeren (kurz: COC), Cyclo-Olefin-Polymer (kurz: COP), Polystyrol (kurz: PS), Polymethylmethacrylat (kurz: PMMA) und/oder Polycarbonat (kurz: PC) ausgebildet ist.
Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die Aufnahmestruktur in Form eines separaten Einlegeteils ausgebildet ist und das Einlegeteil in eine entsprechende ausgebildete Einlegestruktur des Grundkörpers eingeführt ist, so dass sich die Aufnahmestruktur in dem Grundkörper befindet. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass das separate Einlegeteil aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen und der Grundkörper vorzugsweise aus Cycloolefin-Copolymeren, Cyclo-Olefin-Polymer, Polystyrol, Polymethylmethacrylat und/oder Polycarbonat ausgebildet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die Aufnahmestruktur, insbesondere der Auslassbereich derartig in dem Grundkörper angeordnet ist, dass eine Ebene, in der die zumindest eine Öffnung des Auslassbereichs liegt, nicht in einer Ebene liegt, die durch die Rotationsachse und einen durch die zumindest eine Öffnung verlaufenden radialen Vektor gebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kartusche kann vorsehen, dass die Aufnahmestruktur derartig in dem Grundkörper angeordnet ist, dass der Reservoirbereich im Wesentlichen radial näher an der Rotationsachse liegt als die zumindest eine Öffnung.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein rotationsbasiertes Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, insbesondere eines Analyseschrittes, wobei verfahrensgemäß

- eine mikrofluidische Kartusche gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen bereitgestellt wird,
- die Kartusche mittels eines externen Werkzeuges, insbesondere einer Pipette mit der flüssigen Probe in dem ruhenden Zustand derartig befüllt wird, dass die flüssige Probe durch den nach außen hin offenen Einlassbereich mit dem Werkzeug in den Reservoirbereich eingebracht wird, wobei die flüssige Probe in dem Reservoirbereich gesammelt und in dem ruhenden Zustand gehalten wird,
- die Kartusche in Rotation um die Rotationsachse gesetzt wird, so dass die flüssige Probe in dem rotierenden Zustand durch die zumindest eine Öffnung in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur eingebracht wird, und
- der wenigstens eine Verarbeitungsschritt, insbesondere der Analyseschritt mit der flüssigen Probe durchgeführt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein System zum Durchführen wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, insbesondere eines Analyseschrittes an einer flüssigen Probe mittels eines zentrifugalen mikrofluidischen Verfahrens, insbesondere eines mikrofluidischen Analyseverfahrens, umfassend:

- eine mikrofluidische Kartusche gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen,
- ein externes Werkzeug, insbesondere eine Pipette zur Abgabe der flüssigen Probe in den nach außen hin offenen Einlassbereich der mikrofluidischen Kartusche.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine mikrofluidische Kartusche zum Einsatz in einem rotationsbasierten Verfahren zur Durchführung eines Verarbeitungs- und/oder Analyseschrittes in die eine erfindungsgemäße Aufnahmestruktur monolithisch integriert ist,
2: eine mikrofluidische Kartusche mit einer Einlegestruktur zur Aufnahme einer als separates Einlegeteil ausgebildeten Aufnahmestruktur,
3a: eine perspektivische Ansicht einer als separates Einlegeteil ausgebildeten Aufnahmestruktur,
3b: einen Längsschnitt durch die als separates Einlegeteil ausgebildete Aufnahmestruktur,
3c: eine stirnseitige Ansicht der als separates Einlegeteil ausgebildeten Aufnahmestruktur mit einer ersten möglichen Ausgestaltung der Öffnung,
3d: wiederum eine stirnseitige Ansicht der als separates Einlegeteil ausgebildeten Aufnahmestruktur mit einer zweiten möglichen Ausgestaltung der Öffnung, und
4: eine bevorzugte Ausgestaltung der Aufnahmestruktur mit einer in der Aufnahmestruktur befindlichen Filterstruktur.

1 zeigt eine mikrofluidische Kartusche 1 zum Einsatz in einem rotationsbasierten Verfahren zur Durchführung eines Verarbeitungs- und/oder Analyseschrittes an einer flüssigen Probe 11. Die mikrofluidische Kartusche 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer Scheibe, ähnlich einer CD-ROM, ausgebildet. Gleichwohl ist die Erfindung nicht auf eine scheibenförmige mikrofluidische Kartusche 1 beschränkt, sondern kann jeden beliebig flächig ausgestalteten Grundkörper, der sich um eine Rotationsachse 3 rotieren lässt, umfassen. Bevorzugt ist die mikrofluidische Kartusche 1 jedoch in Form einer teilkreisförmigen, insb. halbkreisförmigen Scheibe ausgebildet.
Die mikrofluidische Kartusche 1 ist aus einem Kunststoff bzw. einem Polymer hergestellt. Beispielsweise kann die mikrofluidischen Kartuschen 1 aus Cycloolefin-Copolymeren (kurz: COC), Cyclo-Olefin-Polymer (kurz: COP), Polystyrol (kurz: PS), Polymethylmethacrylat (kurz: PMMA) und/oder Polycarbonat (kurz: PC) hergestellt sein.
In die mikrofluidische Kartusche 1 ist ein mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur 4 integriert, die dazu dient, die in die Kartusche 1 einzubringende flüssige Probe 11 einem speziellen Verarbeitungs- und/oder Analyseschritt durch Rotieren der Kartusche 1 um die Rotationsachse 3 zu unterziehen. Derartige Verarbeitungs- und/oder Analyseschritt können beispielsweise die eingangs genannten Laborprozesse, wie Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren, umfassen.
Um ein Rotieren der Kartusche 1 zu ermöglichen, ist dieser die Rotationsachse zugeordnet, die sich, wie in 1 dargestellt, innerhalb des Grundkörpers 2 befinden kann, und senkrecht auf einer Ebene steht, die sich parallel zu einer Oberfläche des flächig ausgebildeten Grundkörpers 2 erstreckt. Die Rotationsachse 3 muss allerdings nicht innerhalb des Grundkörpers 2 liegen, sondern kann auch außerhalb sein. Dies ist insb. dann der Fall, wenn der Grundkörper 2 in Form einer teilkreisförmigen Scheibe ausgebildet ist. Die Rotationsachse 3 dient dazu, die mikrofluidische Kartusche 1 durch ein entsprechend ausgebildetes Analysegerät, um die Rotationsachse 3 rotieren zu lassen. Hierzu kann die Kartusche 1 zunächst an eine Trägerplatte des Analysegerätes angebracht werden und anschließend durch Rotieren der Trägerplatte in Rotation versetzt werden.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Aufnahmestruktur 5 zum Einbringen der flüssigen Probe 11 in die Kartusche 1 monolithisch integriert. Monolithisch bedeutet in diesem Fall, dass die Aufnahmestruktur 5 in dem Grundkörper bzw. aus dem Grundkörper 2 ausgebildet ist. Im Gegensatz dazu, kann die Aufnahmestruktur 5, wie in den in 2 und 3a-3d dargestellten Ausführungsbeispielen, auch als Einlegeteil realisiert sein, welches in eine entsprechende Aufnahme des Grundkörpers einbringbar ist.
Die monolithische Integration kann beispielsweise durch einen entsprechenden Fertigungsschritt, z.B. Fräsen, Spritzguss, beim Herstellen der Kartusche erfolgen.
Die Aufnahmestruktur 5 ist dabei derartig ausgeführt, dass sie einen nach außen hin zugänglichen Einlassbereich 5a aufweist, durch den die flüssige Probe 11 der Kartusche 1 zugeführt werden kann. Im einfachsten Fall wird die flüssige Probe 11 durch eine Pipette oder ein ähnliches Werkzeug 10 in den Einlassbereich einpipettiert, während sich die Kartusche in Ruhe befindet, d.h. nicht durch das Analysegerät rotiert wird. Im einfachsten Fall ist der Einlassbereich 5a durch eine kreisrunde Öffnung realisiert. Zur Aufnahme bzw. dem Speichern der flüssigen Probe 11 umfasst die Aufnahmestruktur 5 einen an den Einlassbereich 5a anschließenden Reservoirbereich 5c. Der Reservoirbereich 5c ist dabei derartig ausgebildet, dass dieser ein Volumen von ca. 5mL, vorzugsweise von ca. 3mL, besonders bevorzugt im Bereich von ca. 50-1000 µL, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 100-500 µL der flüssigen Probe 11 aufnehmen kann. Ferner umfasst die Aufnahmestruktur 5 einen an den Reservoirbereich 5c anschließenden Auslassbereich 5b mit zumindest einer Öffnung 5e, an die die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur 4 fluidisch angeschlossen ist, so dass die flüssige Probe 11 von dem Reservoirbereich 5c über den Auslassbereich 5b durch die zumindest eine Öffnung 5e in die Kanal- und/oder Kammerstruktur 4 eintreten kann.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Auslassbereich 5b zwei Öffnungen 5e auf. Eine Öffnungsgeometrie der Öffnungen 5e ist dabei jeweils derartig ausgeführt, dass sich die in dem Reservoirbereich 5c befindliche flüssige Probe 11 im ruhenden Zustand der Kartusche 1 nicht in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur 4 eintritt, sondern erst, wenn die Kartusche 1 um die Rotationsachse 3 mit einer entsprechenden Drehzahl rotiert wird und somit eine Zentrifugalkraft auf die flüssige Probe 11 wirkt.
Ferner sind in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Öffnungen 5e an einer Stirnseite 5d des Auslassbereiches 5b angeordnet. Gleichwohl können diese auch an einer Seitenwand, die an die Stirnseite 5d angrenzt, realisiert sein. Hinsichtlich der jeweiligen Öffnungsgeometrie können diese im Wesentlichen beliebig ausgebildet sein, wobei sich kreisförmige oder rechteckförmige Öffnungsgeometrie als bevorzugt Variante herausgestellt haben. Hierbei müssen auch nicht alle Öffnungsgeometrien die gleiche Form aufweisen. Denkbar ist bspw. auch, dass die Öffnungen 5e unterschiedliche Öffnungsgeometrien aufweisen, wie dies exemplarisch in 3d dargestellt ist, wo eine an der Stirnseite befindliche zentrale kreisförmige Öffnung von vier weiteren rechteckförmigen Öffnungen, die vorzugsweise äquidistant zu der zentralen Öffnung 5e angeordnet sind, umgeben ist. Unabhängig von der konkreten Form der Öffnungsgeometrie sind diese dabei derartig ausgeführt, dass jede Öffnungsgeometrie eine Querschnittsfläche kleiner 30 mm², vorzugsweise kleiner 13 mm², besonders bevorzugt kleiner 3,2 mm² aufweist.
Vorteilhafterweise sind die Öffnungen 5e jeweils derartig auf dem Grundkörper 2 angeordnet, dass eine Ebene, in der sich die jeweilige Öffnungsgeometrie befindet, nicht in einer Ebene liegt, die durch einen sich durch die jeweilige Öffnung 5e radial nach außen erstreckenden Vektor (radial Vektor) und die Rotationsachse 3 gebildet wird. Ferner ist es für die Erfindung von Vorteil, wenn die Aufnahmestruktur 5 derartig in dem Grundkörper 2 angeordnet und ausgebildet ist, dass ein radialer Abstand von der Rotationsachse 3 zu einem Punkt des Reservoirbereichs 5c kleiner ist als ein radialer Abstand der jeweiligen Öffnung 5e zu der Rotationsachse 3.
2 zeigt eine mikrofluidische Kartusche 1, die hinsichtlich des Grundkörpers 2 wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten mikrofluidischen Kartusche 1, weist die in 2 dargestellte mikrofluidische Kartusche 1 allerdings keine monolithisch integrierte Aufnahmestruktur 5 auf, sondern eine Einlegestruktur 6, in die eine, wie in den 3a bis 3d gesondert dargestellt, als separates Einlegeteil ausgebildete Aufnahmestruktur 5 einbringbar ist. Die Einlegestruktur 6 kann bspw. quader- und/oder zylinderförmig in dem Grundkörper 2 ausgebildet sein.
Das separat ausgebildet Einlegeteil 5 unterscheidet sich grundsätzlich von der zuvor beschrieben Aufnahmestruktur nur insofern, als dass die Aufnahmestruktur 5 nicht monolithisch in den Grundkörper 2 integriert ist, sondern aus einem separaten Material ausgebildet ist. Insofern weist das Einlegeteil auch einen Einlass- Reservoir- und Auslassbereich 5a, 5b, 5c mit zumindest einer Öffnung 5e auf. Als besonders geeignete Materialen zur Herstellung des Einlegeteils haben sich thermoplastische Kunststoff, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen herausgestellt. Sämtliche nachfolgend und zuvor beschriebenen Merkmale für die Aufnahmestruktur 5 sind ferner auf die beiden Varianten (monolithisch integriert Aufnahmestruktur und als separates Einlegeteil ausgebildet Aufnahmestruktur) übertragbar.
3a zeigt nun eine perspektivische Ansicht einer konkreten Ausgestaltung einer als separates Einlegeteil ausgebildeten Aufnahmestruktur 5. Das Einlegeteil ist hinsichtlich seiner äußeren Kontur in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet. Der Kegelstumpf weist einen als Reservoirbereich 5c dienenden inneren Hohlraum auf, der an einer Stirnseite 5d mit Ausnahme der zumindest einen Öffnung 5e verschlossen und an einer der Stirnseite 5d gegenüberliegenden Rückseite geöffnet ist. Die rückseitige Öffnung bildet den Einlassbereich 5a für die flüssige Probe 11 und der stirnseitige Bereich 5d den Auslassbereich 5b. Gleichwohl muss die als Einlegeteil ausgebildet Aufnahmestruktur 5 nicht kegelstumpfförmig sein, sondern kann bspw. auch eine zylindrische Form aufweisen.
3b zeigt einen Längsschnitt durch die als separates Einlegeteil ausgebildete Aufnahmestruktur 5. Die Aufnahmestruktur 5 kann dabei vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen, gefertigt sein.
3c und 3d zeigen jeweils eine stirnseitige Ansicht der als separates Einlegeteil ausgebildeten Aufnahmestruktur 5 zur Verdeutlichung von möglichen Ausgestaltungsvarianten der Öffnung bzw. Öffnungen 5e. In dem in 3c dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Auslassbereich 5b an der Stirnseite 5d drei Öffnungen 5e auf, wovon eine zentrale Öffnung 5e sich in einem Mittelpunkt der Stirnseite 5d befindet und die beiden anderen Öffnungen in einer durch den Mittelpunkt verlaufenden Achse jeweils äquidistant (im gleichen Abstand) zu der zentralen Öffnung angeordnet sind. Gemäß dem in 3d dargestellten Ausführungsbeispiel sind, wie bereits zuvor beschrieben, insgesamt fünf Öffnungen 5e in die Stirnseite 5d eingebracht, wobei die Öffnungen 5e unterschiedliche Öffnungsgeometrien (kreis- und rechteckförmig) aufweisen. Wie bereits beschrieben, weist jede Öffnung 5e eine Querschnittsfläche kleiner 30 mm², vorzugsweise kleiner 13 mm², besonders bevorzugt kleiner 3,2 mm² auf. Obwohl gemäß dem in den 3c und 3d dargestellten Ausführungsbeispielen sämtliche Öffnungen 5e jeweils in der Stirnseite realisiert sind, müssen diese erfindungsgemäß nicht zwingend in der Stirnseite 5e realisiert sein. Denkbar ist auch eine Anordnung der Öffnungen 5e derartig, dass zumindest ein Teil der Öffnungen in einer an die Stirnseite 5d angrenzenden Seite ausgebildet sind.
4 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Aufnahmestruktur 5 gemäß derer eine Filterstruktur 9, z.B. in Form eines schwammartigen oder sonstig porösen Materials in die Aufnahmestruktur 5 eingebracht ist. Beispielsweise kann die Filterstruktur als Fritte aus Polyethylen (kurz: PE) oder Polytetrafluorethylen (kurz: PTFE) ausgebildet sein. Alternativ kann die Filterstruktur aber auch Membranen aus Silica umfassen. Gemäß einer weiteren Alternative kann die Filterstruktur auch aus Mikrofaser und/oder Watte ausgebildet sein. Ferner kann die Filterstruktur auch mehrlagig aus den zuvor genannten Materialien und/oder heterogen ausgebildet sein. Durch die Filterstruktur 9 werden im Wesentlichen zwei Effekte erzielt: Zunächst wird die Rückhaltekraft auf die flüssige Probe 11 erhöht, da diese vorübergehend im porösen Material aufgenommen wird. Darüber hinaus können aber auch in der flüssigen Probe 11 enthaltene Schwebstoffe herausgefiltert werden. Das Entfernen von Schwebstoffen wiederum kann sich positiv auf den nachfolgenden Verarbeitungs- bzw. Analyseschritt auswirken.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofluidische Kartusche
2: Grundkörper
3: Rotationsachse
4: mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur
5: Aufnahmestruktur
5a: Einlassbereich der Aufnahmestruktur
5b: Auslassbereich der Aufnahmestruktur
5c: Reservoirbereich der Aufnahmestruktur
5d: Stirnseite
5e: Zumindest eine Öffnung
6: Einlegestruktur zur Aufnahme
7: Radialer Vektor
8: Normalenvektor
9: Filterstruktur
10: Externes Werkzeug
11: Flüssige Probe

Claims

Mikrofluidische Kartusche (1) zur Durchführung wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, insbesondere eines Analyseschrittes an einer flüssigen Probe mittels eines zentrifugalen mikrofluidischen Verfahrens, insbesondere eines Analyseverfahrens aufweisend: - einen flächig, vorzugsweise zumindest teilkreisförmig ausgebildeten Grundkörper (2), der sich um eine Rotationsachse (3) rotieren lässt und in dem eine mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) zur Durchführung des wenigstens einen Verarbeitungsschrittes ausgebildet ist; - eine in dem Grundkörper befindliche Aufnahmestruktur (5) zur Eingabe der flüssigen Probe, wobei die Aufnahmestruktur (5) derartig ausgebildet ist, dass sie einen nach außen hin offenen Einlassbereich (5a) zur Eingabe der flüssigen Probe durch ein abgebendes externes Werkzeug, einen Auslassbereich (5b) zur Abgabe der flüssigen Probe an die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) und ferner einen den Einlass- und den Auslassbereich verbindenden Reservoirbereich (5c) zur Aufnahme der flüssigen Probe aufweist, wobei der Auslassbereich (5b) zumindest eine Öffnung (5e) umfasst, durch die die flüssige Probe in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) fließen kann, und wobei eine, vorzugsweise kreisförmige Öffnungsgeometrie der zumindest einen Öffnung (5e) derartig ausgeführt ist, dass in einem ruhenden Zustand die flüssige Probe in dem Reservoirbereich (5c) gehalten wird und in einem rotierenden Zustand die flüssige Probe durch die zumindest eine Öffnung (5e) durch eine Zentrifugalkraft in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) eintritt.
Mikrofluidische Kartusche nach Anspruch 1, wobei in die Aufnahmestruktur (5), insbesondere in dem Auslassbereich der Aufnahmestruktur eine Filterstruktur (9) eingebracht ist.
Mikrofluidische Kartusche nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Filterstruktur (9) ein schwammartiges oder ein sonstig poröses Material aufweist.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Öffnung (5e) eine, vorzugsweise kreisförmige Öffnungsgeometrie umfasst, die eine Querschnittsfläche kleiner 30 mm², vorzugsweise kleiner 13 mm², besonders bevorzugt kleiner 3,2 mm² aufweist.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auslassbereich mehrere Öffnungen (5e) umfasst, die zumindest teilweise eine unterschiedliche Öffnungsgeometrie aufweisen.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmestruktur (5) eine vom Einlassbereich (5a) zu dem Auslassbereich (5b) konisch zulaufende Struktur aufweist.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmestruktur (5) derartig auf bzw. in dem Grundkörper (2) angeordnet ist, dass der Einlassbereich (5a) näher zu der Rotationsachse (3) liegt als der Auslassbereich (5b).
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) aus Cycloolefin-Copolymeren, Cyclo-Olefin-Polymer, Polystyrol, Polymethylmethacrylat und/oder Polycarbonat ausgebildet ist.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmestruktur (5) monolithisch in den Grundkörper (2) integriert ist.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Aufnahmestruktur (5) in Form eines separaten Einlegeteils ausgebildet ist und das Einlegeteil in eine entsprechende ausgebildete Einlegestruktur (6) des Grundkörpers (2) eingeführt ist, so dass sich die Aufnahmestruktur (5) in dem Grundkörper (2) befindet.
Mikrofluidische Kartusche nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das separate Einlegeteil aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethylen und/oder Polypropylen und der Grundkörper (2) vorzugsweise aus Cycloolefin-Copolymeren, Cyclo-Olefin-Polymer, Polystyrol, Polymethylmethacrylat und/oder Polycarbonat ausgebildet sind.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmestruktur (5), insbesondere der Auslassbereich (5b) derartig in dem Grundkörper (2) angeordnet ist, dass eine Ebene, in der die zumindest eine Öffnung (5e) des Auslassbereichs (5b) liegt, nicht in einer Ebene liegt, die durch die Rotationsachse (3) und einen durch die zumindest eine Öffnung (5e) verlaufenden radialen Vektor (7) gebildet wird.
Mikrofluidische Kartusche nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmestruktur (5) derartig in dem Grundkörper (2) angeordnet ist, dass der Reservoirbereich (5c) im Wesentlichen radial näher an der Rotationsachse (3) liegt als die zumindest eine Öffnung (5e).
Rotationsbasierte Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, insbesondere eines Analyseschrittes, wobei verfahrensgemäß - eine mikrofluidische Kartusche (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche bereitgestellt wird, - die Kartusche (1) mittels eines externen Werkzeuges (10), insbesondere einer Pipette mit der flüssigen Probe in dem ruhenden Zustand derartig befüllt wird, dass die flüssige Probe durch den nach außen hin offenen Einlassbereich (5a) mit dem Werkzeug (10) in den Reservoirbereich (5c) eingebracht wird, wobei die flüssige Probe in dem Reservoirbereich (5c) gesammelt und in dem ruhenden Zustand gehalten wird, - die Kartusche (1) in Rotation um die Rotationsachse (3) gesetzt wird, so dass die flüssige Probe in dem rotierenden Zustand durch die zumindest eine Öffnung (5e) in die mikrofluidische Kanal- und/oder Kammerstruktur (4) eingebracht wird, und - der wenigstens eine Verarbeitungsschritt, insbesondere der Analyseschritt mit der flüssigen Probe durchgeführt wird.
System zum Durchführen wenigstens eines Verarbeitungsschrittes, insbesondere eines Analyseschrittes an einer flüssigen Probe mittels eines zentrifugalen mikrofluidischen Verfahrens, insbesondere eines mikrofluidischen Analyseverfahrens, umfassend: - eine mikrofluidische Kartusche (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, - ein externes Werkzeug (10), insbesondere eine Pipette zur Abgabe der flüssigen Probe in den nach außen hin offenen Einlassbereich der mikrofluidischen Kartusche.