DE102022209417A1

DE102022209417A1 - Array for a microfluidic device, microfluidic device and method of operating the same

Info

Publication number: DE102022209417A1
Application number: DE102022209417.4A
Authority: DE
Inventors: Anja Lippert; Aaron Doerr; Julian Kassel; Ronny Leonhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-09
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024052196A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Array (10) für eine mikrofluidische Vorrichtung, aufweisend eine erste Seite (11) mit mehreren Vertiefungen, in welchen Reagenzien angeordnet sind. Die erste Seite (11) weist mehrere parallele lineare Kanäle (12) auf. Die mikrofluidische Vorrichtung weist mindestens eine Arraykammer (20) auf, in der das Array (10) so angeordnet ist, dass die Kanäle (12) parallel zu einer Strömungsrichtung eines Fluids (30) verlaufen. Beim Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird ein Fluid in der Arraykammer parallel zu den Kanälen über das Array geführt.The invention relates to an array (10) for a microfluidic device, having a first side (11) with several wells in which reagents are arranged. The first side (11) has several parallel linear channels (12). The microfluidic device has at least one array chamber (20) in which the array (10) is arranged such that the channels (12) run parallel to a flow direction of a fluid (30). When operating the microfluidic device, a fluid in the array chamber is guided over the array parallel to the channels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Array für eine mikrofluidische Vorrichtung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine mikrofluidische Vorrichtung, welche das Array aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Vorrichtung ein Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung.The present invention relates to an array for a microfluidic device. Furthermore, the present invention relates to a microfluidic device which has the array. The present device also relates to a method for operating the microfluidic device.

Stand der TechnikState of the art

Mikrofluidische Analysesysteme, die auch als Lab-on-Chip-Systeme bezeichnet werden, erlauben ein automatisiertes Prozessieren chemischer oder biologischer Substanzen für die medizinische Diagnostik. Sie weisen hierzu häufig ein Array auf, das mehrere Vertiefungen mit vorgelagerten eingetrockneten Reagenzien aufweist. Das Array wird mit einer Reaktionsflüssigkeit bespült und die Vertiefungen, die auch als Wells bezeichnet werden, auf diese Weise befüllt. Anschließend können die Vertiefungen mittels einer Versiegelungsflüssigkeit gegeneinander isoliert werden. Dies wird beispielsweise in der DE 10 2018 204 624 A1 beschrieben.Microfluidic analysis systems, also known as lab-on-chip systems, allow automated processing of chemical or biological substances for medical diagnostics. For this purpose, they often have an array that has several wells with dried reagents in front of them. The array is flushed with a reaction liquid and the depressions, also known as wells, are filled in this way. The depressions can then be insulated from each other using a sealing liquid. This is done, for example, in the DE 10 2018 204 624 A1 described.

Nach dem Einbringen der Versiegelungsflüssigkeit laufen in den Vertiefungen Reaktionen zwischen dem Reaktionsgemisch und den dort vorgelagerten Reagenzien ab.After the sealing liquid has been introduced, reactions take place in the wells between the reaction mixture and the reagents stored there.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das Array für eine mikrofluidische Vorrichtung besteht insbesondere aus Silizium. Es weist eine erste Seite mit mehreren Vertiefungen auf, in welchen Reagenzien angeordnet sind. Diese erste Seite ist dazu vorgesehen, um in der mikrofluidischen Vorrichtung von einer Reaktionsflüssigkeit überspült zu werden. Sie wird deshalb in der mikrofluidischen Vorrichtung als Oberseite angeordnet. Eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, wird als Unterseite angeordnet und kann mit einem Substrat der mikrofluidischen Vorrichtung verklebt werden.The array for a microfluidic device consists in particular of silicon. It has a first side with several depressions in which reagents are arranged. This first side is intended to be washed over by a reaction liquid in the microfluidic device. It is therefore arranged as the top side in the microfluidic device. A second side, which is opposite the first side, is arranged as a bottom and can be glued to a substrate of the microfluidic device.

Es ist vorgesehen, dass die erste Seite mehrere parallele lineare Kanäle aufweist. Diese Kanäle sind dazu vorgesehen, um in der mikrofluidischen Vorrichtung parallel zu einer Strömungsrichtung eines Fluids, insbesondere parallel zu einer Strömungsrichtung des Reaktionsgemischs, angeordnet zu werden.It is intended that the first side has several parallel linear channels. These channels are intended to be arranged in the microfluidic device parallel to a flow direction of a fluid, in particular parallel to a flow direction of the reaction mixture.

Die Befüllung der Vertiefungen muss auf reproduzierbare und kontrollierte Weise erfolgen. Nur so ist sichergestellt, dass chemische Reaktionen in den Vertiefungen reproduzierbar und mit hinreichender Ausbeute ablaufen. Entscheidend für die Befüllung der Vertiefungen ist das Fortschreiten einer Grenzfläche zwischen Luft und einem Reaktionsgemisch auf dem Array. Dieses Fortschreiten wird maßgeblich von geometrischen Maßabweichungen und lokalen Oberflächeneigenschaften des Arrays sowie von Eigenschaften der Anströmung des Arrays beeinflusst. Diese können zu unvorhergesehenen Schwankungen in der Bewegung der Grenzfläche und somit indirekt zu Schwankungen in der Reaktionsausbeute der chemischen Reaktionen in den Vertiefungen führen. So könnte es beispielsweise zu einer verstärkten Benetzung entlang der Mittelachse des Arrays und/oder zu einer verstärkten seitlichen Benetzung kommen, wodurch die Gefahr von Lufteinschlüssen in angrenzenden Ecken der Arraykammer sowie einer unvollständigen Benetzung des Arrays besteht. Die parallelen linearen Kanäle bewirken eine Vergleichmäßigung der Arraybenetzung und verhindern Querströmungen. Die gezielte Strömungsführung mittels der Kanäle macht die Benetzung des Arrays also robuster gegenüber Schwankungen in der Anströmung und der Kammergeometrie.The wells must be filled in a reproducible and controlled manner. This is the only way to ensure that chemical reactions in the wells take place reproducibly and with sufficient yield. The progression of an interface between air and a reaction mixture on the array is crucial for filling the wells. This progression is significantly influenced by geometric dimensional deviations and local surface properties of the array as well as properties of the flow to the array. These can lead to unforeseen fluctuations in the movement of the interface and thus indirectly to fluctuations in the reaction yield of the chemical reactions in the wells. For example, there could be increased wetting along the central axis of the array and/or increased lateral wetting, which creates the risk of air pockets in adjacent corners of the array chamber and incomplete wetting of the array. The parallel linear channels even out the array wetting and prevent cross flows. The targeted flow guidance using the channels makes the wetting of the array more robust against fluctuations in the flow and the chamber geometry.

Grundsätzlich kann eine gewisse Vergleichmäßigung der Arraybenetzung schon durch lineare Kanäle erreicht werden, welche sich nur über einen Teil der Länge der ersten Seite erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die Kanäle jedoch über die gesamte Länge der ersten Seite, um so eine bestmögliche Strömungsführung zu ermöglichen. Unter der Länge der ersten Seite wird dabei die Abmessung der Längsseite der ersten Seite verstanden, entlang der sich die linearen Kanäle erstrecken.In principle, a certain level of uniformity in the array wetting can be achieved using linear channels that only extend over part of the length of the first side. However, the channels preferably extend over the entire length of the first side in order to enable the best possible flow guidance. The length of the first side is understood to mean the dimension of the long side of the first side along which the linear channels extend.

Es hat sich gezeigt, dass für die Strömungsführung eines Fluids ein rechteckiger, dreieckiger oder halbkreisförmiger Querschnitt der Kanäle besonders vorteilhaft ist.It has been shown that a rectangular, triangular or semicircular cross section of the channels is particularly advantageous for guiding the flow of a fluid.

Eine Tiefe der Kanäle beträgt vorzugsweise mindestens 10 µm. Bei einer geringeren Tiefe könnte nur noch ein schwacher Eingriff in die Fluidströmung erreicht werden.A depth of the channels is preferably at least 10 μm. At a shallower depth, only a weak intervention in the fluid flow could be achieved.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Tiefe der Kanäle maximal 10 % einer Tiefe der Vertiefungen beträgt. Bei einer größeren Tiefe bestände das Risiko, dass die Hauptströmung des Reaktionsgemischs negativ beeinflusst wird, was einen negativen Einfluss auf die Befüllung der Vertiefungen hätte.Furthermore, it is preferred that the depth of the channels is a maximum of 10% of a depth of the depressions. At a greater depth there would be a risk that the main flow of the reaction mixture would be negatively influenced, which would have a negative impact on the filling of the wells.

Eine Breite der Kanäle entspricht bevorzugt maximal ihrer Tiefe, besonders bevorzugt genau ihrer Tiefe. Ein rechteckiger Kanalquerschnitt ist daher insbesondere als quadratischer Kanalquerschnitt ausgeführt und ein dreieckiger Kanalquerschnitt ist insbesondere in der Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgeführt. Unter der Breite der Kanäle wird dabei ihre Abmessung orthogonal zur Länge der ersten Seite verstanden, wobei die Breite am höchsten Punkt der Kanäle gemessen wird. Bei Kanälen mit dreieckigem oder halbkreisförmigem Querschnitt erfolgt die Breitenmessung also an ihrer größten Abmessung. Die Breite eines Kanals mit halbkreisförmigem Querschnitt entspricht dem Durchmesser des Halbkreises. Eine zu große Breite der Kanäle würde ihren hydraulischen Radius stark erhöhen und damit einen mittels der Kanäle erzeugbaren Kapillardruck senken.A width of the channels preferably corresponds at most to their depth, particularly preferably exactly to their depth. A rectangular channel cross section is therefore designed in particular as a square channel cross section and a triangular channel cross section is designed in particular in the form of an equilateral triangle. The width of the channels means their dimension orthogonal to the length of the first side, with the width being measured at the highest point of the channels. For channels With a triangular or semicircular cross section, the width measurement is carried out at its largest dimension. The width of a channel with a semicircular cross section is equal to the diameter of the semicircle. If the channels were too wide, their hydraulic radius would be greatly increased and the capillary pressure that could be generated by the channels would be reduced.

Die Vertiefungen des Arrays weisen vorzugsweise eine Tiefe von mindestens 100 µm auf. Bei einem Array mit flacheren Vertiefungen können sich die Tiefe der Kanäle und die Tiefe der Vertiefungen so stark annähern, dass dies einen negativen Einfluss auf die Hauptströmung des Fluids hat.The wells of the array preferably have a depth of at least 100 μm. In an array with shallower wells, the depth of the channels and the depth of the wells can become so close that this has a negative impact on the main flow of the fluid.

Die Kanäle sind dazu vorgesehen, um die Benetzung der gesamten Arrayoberfläche zu vergleichmäßigen und nicht, um eine Reaktionsflüssigkeit als Zuleitungen gezielt in die Vertiefungen hineinzuleiten. Daher ist es bevorzugt, dass die Vertiefungen zwischen den Kanälen angeordnet sind und keiner der Kanäle in einer der Vertiefungen mündet. Besonders bevorzugt verläuft jeweils zwischen zwei Reihen von Vertiefungen ein Kanal.The channels are intended to even out the wetting of the entire array surface and not to specifically direct a reaction liquid into the wells as supply lines. It is therefore preferred that the depressions are arranged between the channels and that none of the channels opens into one of the depressions. A channel particularly preferably runs between two rows of depressions.

Die mikrofluidische Vorrichtung weist mindestens eine Arraykammer auf, in der das Array so angeordnet ist, dass die Kanäle parallel zu einer Strömungsrichtung eines Fluids, insbesondere eines Reaktionsgemischs verlaufen. Bei der Arraykammer kann es sich insbesondere um eine Analysenkammer handeln, die oberhalb der ersten Seite des Arrays ein transparentes Fenster aufweist, durch welches die Inhalte der Vertiefungen mittels optischer Methoden analysiert werden können.The microfluidic device has at least one array chamber in which the array is arranged such that the channels run parallel to a flow direction of a fluid, in particular a reaction mixture. The array chamber can in particular be an analysis chamber which has a transparent window above the first side of the array through which the contents of the wells can be analyzed using optical methods.

Insbesondere kann die mikrofluidische Vorrichtung eine Kartusche sein, die dazu vorgesehen ist, um in ein mikrofluidisches Analysesystem eingesetzt zu werden. In einer solchen Kartusche sind Reagenzien vorgelagert und eine Probenflüssigkeit wird in die Kartusche eingeführt. Nach Durchführung chemischer Reaktionen und einer Analyse des Reaktionsergebnisses kann die Kartusche als Einmalartikel entsorgt werden, während andere Komponenten der Analysevorrichtung, wie beispielsweise ein optischer Sensor, wiederverwendet werden.In particular, the microfluidic device can be a cartridge that is intended to be inserted into a microfluidic analysis system. Reagents are stored in such a cartridge and a sample liquid is introduced into the cartridge. After carrying out chemical reactions and analyzing the reaction result, the cartridge can be disposed of as a disposable item, while other components of the analysis device, such as an optical sensor, are reused.

Insbesondere ist die mikrofluidische Vorrichtung zur Durchführung einer Amplifikationsreaktion, wie beispielsweise einer PCR-Reaktion oder einer rITA-Reaktion eingerichtet. Die Einrichtung erfolgt durch das Vorlagern von für die Amplifikationsreaktion benötigten Reagenzien.In particular, the microfluidic device is set up to carry out an amplification reaction, such as a PCR reaction or an rITA reaction. The setup is carried out by pre-storing the reagents required for the amplification reaction.

In dem Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird ein Fluid in der Arraykammer parallel zu den Kanälen über das Array geführt.In the method for operating the microfluidic device, a fluid in the array chamber is guided over the array parallel to the channels.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine Aufsicht auf die erste Seite eines Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts eines Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt einen Querschnitt eines Kanals eines Arrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt einen Querschnitt eines Kanals eines Arrays gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5a zeigt eine isometrische Ansicht einer Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5b zeigt eine andere isometrische Ansicht der Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß 5a.

Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description.

1 shows a top view of the first side of an array according to an embodiment of the invention.
2 shows a cross-sectional view of a section of an array according to an embodiment of the invention.
3 shows a cross section of a channel of an array according to an embodiment of the invention.
4 shows a cross section of a channel of an array according to another embodiment of the invention.
5a shows an isometric view of an array chamber of a microfluidic device according to an embodiment of the invention.
5b shows another isometric view of the array chamber of a microfluidic device according to 5a .

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Array 10 als Silizium-Array ausgeführt. Dieses weist eine Länge L von 10 mm auf. Die Breite des Arrays 10 entspricht seiner Länge L. Zwölf Kanäle 12 erstrecken sich parallel zueinander auf einer ersten Seite 11 des Arrays 10 entlang der Längsrichtung des Arrays 10. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Kanälen 12 beträgt jeweils 0,7 mm.In a first exemplary embodiment of the invention, an array 10 is designed as a silicon array. This has a length L of 10 mm. The width of the array 10 corresponds to its length L. Twelve channels 12 extend parallel to one another on a first side 11 of the array 10 along the longitudinal direction of the array 10. The distance between two adjacent channels 12 is 0.7 mm each.

Zusätzlich zu den Kanälen 12 sind auf der ersten Seite 11 in 1 nicht dargestellte Vertiefungen 13 angeordnet, in denen eingetrocknete Reagenzien vorgelagert sind. Die Reagenzien sind beispielsweise in ein Gemisch aus Polyacrylamid und Trehalose eingebettet, welches mit einem reagenzeienfreien Gemisch aus Polyacrylamid und Trehalose überschichtet ist. Dieses ist wiederum mit Agarose überschichtet. 2 zeigt nebeneinander einen Kanal 12 und eine Vertiefung 13. Der Kanal 12 weist einen quadratischen Querschnitt auf und seine Tiefe t von 25 µm entspricht seiner Breite b. Die Tiefe T der Vertiefung 13 beträgt 350 µm.In addition to the 12 channels, there are 11 in. on the first side 1 Wells 13, not shown, are arranged in which dried reagents are stored. The reagents are, for example, embedded in a mixture of polyacrylamide and trehalose, which is covered with a reagent-free mixture of polyacrylamide and trehalose. This is again covered with agarose. 2 shows a channel 12 and a recess 13 side by side. The channel 12 has a square cross section and its depth t of 25 μm corresponds to its width b. The depth T of the depression 13 is 350 μm.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Kanäle 12 einen Querschnitt in der Form eines gleichseitigen Dreiecks auf. Ihre Breite b von 25 µm entspricht der Länge einer Seite des Dreiecks. Sie weisen eine Tiefe t von 20 auf.In a second exemplary embodiment of the invention, the channels 12 have a cross section in the shape of an equilateral triangle. Its width b of 25 µm corresponds to the length of one side of the triangle. They have a depth t of 20.

In einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Kanäle 12 einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Ihre Breite b von 25 µm entspricht dem Durchmesser des Halbkreises und ihre Tiefe t von 12,5 µm entspricht dem Radius des Halbkreises.In a third exemplary embodiment of the invention, the channels 12 have a semicircular cross section. Its width b of 25 µm corresponds to the diameter of the semicircle and its depth t of 12.5 µm corresponds to the radius of the semicircle.

Ein Array 10 gemäß einem der voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung kann in einer Arraykammer 20 einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt werden. Diese ist in den 5a und 5b dargestellt. Zur Veranschaulichung des Effekts der Kanäle 12 ist ein Array 10 dargestellt, auf dessen erster Seite 11, die in der Arraykammer 20 nach oben gewandt ist, vier der zwölf Kanäle 12 weggelassen wurden. Ein Fluid 30, bei dem es sich um ein Reaktionsgemisch für eine Amplifikationsreaktion handelt, überströmt die erste Seite 11 des Arrays 10 in Richtung eines Auslasses 21 der Arraykammer 20. Die Kanäle 12 sind parallel zur Strömungsrichtung dieses Fluids 30 angeordnet. Eine Grenzfläche 31 zwischen dem Fluid 30 und in der Arraykammer 20 enthaltener Luft schreitet entlang der Längsrichtung des Arrays 10 in der Arraykammer 20 voran. Dabei ist erkennbar, dass die Grenzfläche 31 dort, wo die erste Seite 11 des Arrays 10 die Kanäle 12 aufweist, orthogonal zur Längsrichtung der Kanäle 12 voranschreitet. In diesem Bereich wird eine gleichmäßige Benetzung der ersten Seite 11 des Arrays 10 erreicht. Dies bewirkt ein gleichmäßiges Befüllen der nicht dargestellten Vertiefungen 13.An array 10 according to one of the above-described exemplary embodiments of the invention can be used in an array chamber 20 of a microfluidic device according to an exemplary embodiment of the invention. This is in the 5a and 5b shown. To illustrate the effect of the channels 12, an array 10 is shown, on whose first side 11, which faces upwards in the array chamber 20, four of the twelve channels 12 have been omitted. A fluid 30, which is a reaction mixture for an amplification reaction, flows over the first side 11 of the array 10 in the direction of an outlet 21 of the array chamber 20. The channels 12 are arranged parallel to the flow direction of this fluid 30. An interface 31 between the fluid 30 and air contained in the array chamber 20 advances along the longitudinal direction of the array 10 in the array chamber 20. It can be seen that the interface 31, where the first side 11 of the array 10 has the channels 12, advances orthogonally to the longitudinal direction of the channels 12. In this area, uniform wetting of the first side 11 of the array 10 is achieved. This causes the recesses 13, not shown, to be filled evenly.

Die Vergleichmäßigung der Grenzfläche 31 beruht, darauf, dass die Kanäle einen Kapillardruck bzw. Laplace-Druck erzeugen, welcher die Grenzfläche 31 voraneilen lässt, wenn die sich daraus ergebende Geschwindigkeit größer als die globale Geschwindigkeit des Fluids 30 ist. Der Kapillardruck ist umgekehrt proportional zum hydraulischen Radius der Kanäle 12.The equalization of the interface 31 is based on the fact that the channels generate a capillary pressure or Laplace pressure, which causes the interface 31 to advance if the resulting velocity is greater than the global velocity of the fluid 30. The capillary pressure is inversely proportional to the hydraulic radius of the channels 12.

In dem Randbereich der ersten Seite 11, in welchem keine Kanäle 12 angeordnet sind, ist hingegen eine unregelmäßige Form der Grenzfläche zu beobachten. Mit dem Beginn des Bereiches ohne Kanäle 12 weicht die Grenzfläche 31 zunächst zurück und eilt dann zum Rand des Arrays 10 hin wieder voraus. In diesem Bereich kann also keine gleichmäßige Befüllung der Vertiefungen 13 erreicht werden. Die Form der Grenzfläche wurde mittels einer Strömungssimulation berechnet, welche die Überlegenheit einer mit Kanälen 12 versehenen ersten Seite 11 des Arrays 10 gegenüber einer unmodifizierten ersten Seite 11 zeigt.However, in the edge region of the first side 11, in which no channels 12 are arranged, an irregular shape of the interface can be observed. With the beginning of the area without channels 12, the interface 31 initially retreats and then rushes forward again towards the edge of the array 10. In this area, uniform filling of the depressions 13 cannot be achieved. The shape of the interface was calculated using a flow simulation, which shows the superiority of a first side 11 of the array 10 provided with channels 12 over an unmodified first side 11.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102018204624 A1 [0002]

Claims

Array (10) for a microfluidic device, having a first side (11) with a plurality of wells (13) in which reagents are arranged, characterized in that the first side (11) has a plurality of parallel linear channels (12).

Array (10) after Claim 1 , characterized in that the channels (12) extend over an entire length (L) of the first side (11).

Array (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the channels (12) have a rectangular, triangular or semicircular cross section.

Array (10) after one of the Claims 1 until 3 , characterized in that a depth (t) of the channels (12) is at least 10 µm.

Array (10) after one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a depth (t) of the channels (12) is a maximum of 10% of a depth (T) of the depressions (13).

Array (10) after one of the Claims 1 until 5 , characterized in that a width (b) of the channels (12) corresponds at most to their depth (t).

Array (10) after one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the depressions (13) have a depth (T) of at least 100 µm.

Microfluidic device, comprising at least one array chamber (20) in which an array (10) according to one of Claims 1 until 7 is arranged so that the channels (12) run parallel to a flow direction of a fluid (30).

Method for operating a microfluidic device Claim 8 , wherein a fluid (30) in the array chamber (20) is guided over the array (10) parallel to the channels (12).