DE102022210371A1

DE102022210371A1 - Mikrofluidische Kartusche, mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE102022210371A1
Application number: DE102022210371.8A
Authority: DE
Inventors: Janik Kaercher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Kartusche (20), aufweisend eine Fluidikschicht (21) und eine Pneumatikschicht (22), wobei mindestens eine Kammer (24) in der Fluidikschicht (21) angeordnet ist. Die Kammer (24) weist eine Vertiefung (25) in ihrer von der Pneumatikschicht (22) abgewandten Seite auf. Die mikrofluidische Vorrichtung (10) weist die mikrofluidische Kartusche (20) und einen ersten Magneten (11) auf, der an einer Außenseite der Fluidikschicht (21) an der Vertiefung (25) angeordnet ist. Beim Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung (10) wird in einem ersten Schritt mittels des ersten Magneten (11) ein erstes Magnetfeld an die Kammer (24) angelegt und magnetische Partikel (40) werden in der Vertiefung (25) gesammelt. In einem zweiten Schritt wird das erste Magnetfeld entfernt und die Partikel (40) werden aus der Vertiefung (25) entfernt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Kartusche. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine mikrofluidische Vorrichtung, welche die Kartusche aufweist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung.
Stand der Technik
Silika-beschichtete oder carboxyl-beschichtete magnetische Partikel können zur Aufreinigung von Nukleinsäuren eingesetzt werden. Sie finden auch in der Proteinbiochemie Anwendung und werden für Immunopräzipitationsreaktionen beispielsweise mit Antikörpern verwendet. Durch ihre geringe Größe und hohe Oberfläche bieten beschichtete magnetische Partikel hohe Bindekapazitäten.
Die DE 10 2017 218 849 A1 beschreibt einen Reaktionsträger für eine mikrofluidische Vorrichtung. Der Reaktionsträger weist mehrere Ausnehmungen auf. In den Ausnehmungen werden jeweils unterschiedliche magnetische Partikel gesammelt, die an ihrer Oberfläche unterschiedliche Fängerprimer tragen. In einem an den Reaktionsträger angrenzenden Bereich ist ein Magnet angeordnet, um die magnetischen Partikel in den Ausnehmungen zu immobilisieren.
Offenbarung der Erfindung
Die mikrofluidische Kartusche weist eine Fluidikschicht und eine Pneumatikschicht auf. Sie ist insbesondere als Einwegkartusche zum Einsetzen in eine mikrofluidische Vorrichtung ausgeführt. Die Fluidikschicht weist Kanäle und Kammern auf, die insbesondere in einem Kunststoffsubstrat, wie beispielsweise Polycarbonat, verlaufen. Sie ist dazu vorgesehen, um eine zu untersuchende Probe in der mikrofluidischen Kartusche zu transportieren und dort chemischen und/oder molekularbiologischen Reaktionen zu unterwerfen. Vorzugsweise sind magnetische Partikel beweglich in der Fluidikschicht angeordnet. Die Pneumatikschicht weist Pneumatikkanäle auf, die insbesondere in einem Kunststoffsubstrat, wie beispielsweise Polycarbonat, verlaufen. Sie sind dazu vorgesehen, um mit einem Pneumatikmanifold der mikrofluidischen Vorrichtung verbunden zu werden. Eine zwischen der Fluidikschicht und der Pneumatikschicht angeordnete Elastomermembran, die insbesondere aus thermoplastischem Polyurethan besteht, kann in die Fluidikschicht ausgelenkt werden, wenn in den Pneumatikkanälen ein Überdruck erzeugt wird und sie kann in die Pneumatikschicht ausgelenkt werden, wenn in den Pneumatikkanälen ein Unterdruck erzeugt wird. Auf diese Weise können Fluidströme in der Fluidikschicht manipuliert werden. Mindestens eine der Kammern, die in der Fluidikschicht angeordnet sind, weist eine Vertiefung in ihrer von der Pneumatikschicht abgewandten bzw. der Pneumatikschicht gegenüberliegenden Seite auf. Diese Kammer kann dazu verwendet werden, um die magnetischen Partikel darin vorübergehend zu sammeln und anschließend wieder freizusetzen. Diese Vertiefung ist unmittelbar im Substrat der Fluidikschicht gebildet. Unter Vertiefung soll dabei nur eine Vertiefung verstanden werden, die gegenüber der gesamten, von den Pneumatikschicht abgewandten bzw. der Pneumatikschicht gegenüberliegenden Seite der Kammer zurückweicht. Ein Raum, der durch Seitenwände der Kammer und/oder Vorsprünge an der von der Pneumatikschicht abgewandten Seite der Kammer begrenzt wird und nur gegenüber diesen Begrenzungen, nicht jedoch gegenüber der restlichen von der Pneumatikschicht abgewandten Seite vertieft ist, soll nicht als Vertiefung verstanden werden. Wenn magnetische Partikel in der Vertiefung gesammelt sind, ist daher ein freies Vorbeiströmen eines Fluids durch die Kammer möglich, ohne dass Partikel durch die Strömung losgerissen werden.
In einer Ausführungsform der mikrofluidischen Kartusche ist die Kammer eine Amplifikationskammer. Unter einer Amplifikationskammer wird eine Kammer verstanden, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, um in dieser eine Amplifikationsreaktion, wie beispielsweise eine PCR-Reaktion oder eine rITA-Reaktion, durchzuführen. Die Amplifikationskammer weist insbesondere eine Zulauföffnung und eine Ablauföffnung auf, die jeweils so von zwei Seitenwänden der Amplifikationskammer begrenzt wird, dass der von den beiden Seitenwänden eingeschlossene Winkel maximal 90° beträgt. Eine Länge der Amplifikationskammer entlang einer Strömungsrichtung von der Zulauföffnung zu der Ablauföffnung ist insbesondere größer als ihre maximale Breite orthogonal zu ihrer Länge. Die Breite nimmt insbesondere von der Zulauföffnung ausgehend zunächst zu, um sich nach Erreichen eines maximalen Werts zu der Ablauföffnung hin wieder zu verringern. In solch einer langen und schmalen Amplifikationskammer bewegt sich eine strömende Flüssigkeit schnell, sodass kurzzeitig hohe Kräfte wirken. Die Vertiefung ermöglicht es, magnetische Partikel dennoch in der Amplifikationskammer zurückzuhalten.
Eine Länge der Vertiefung entlang der Strömungsrichtung durch die Amplifikationskammer beträgt vorzugsweise mindestens 0,5 mm. Hierbei wird unter der Länge die größte Ausdehnung entlang der Strömungsrichtung verstanden. Eine Breite der Vertiefung orthogonal zu der Strömungsrichtung beträgt vorzugsweise ebenfalls mindestens 0,5 mm. Hierbei wird unter der Breite die größte Ausdehnung orthogonal zu der Strömungsrichtung verstanden. Damit ist das Vertiefungsvolumen groß genug, um magnetische Partikel in der Vertiefung sicher aufzunehmen. Weitere bevorzugte Abmessungen der Vertiefung sind von ihrer Form abhängig:

Weist die Vertiefung einen kreisförmigen Querschnitt auf, so liegt ihr Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm. Weist die Vertiefung einen ovalen Querschnitt auf, so liegt ihre Länge vorzugsweise im Bereich von 1,0 bis 4,0 mm und ihre Breite liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm. Weist die Vertiefung einen quadratischen Querschnitt auf, wobei eine Ecke des Quadrats der Zulauföffnung zugewandt ist und eine andere Ecke des Quadrats der Ablauföffnung zugewandt ist, so liegt eine Seitenlänge des Quadrats vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm. Weist die Vertiefung einen rautenförmigen Querschnitt auf, wobei eine Ecke der Raute der Zulauföffnung zugewandt ist und eine andere Ecke der Raute der Ablauföffnung zugewandt ist, so liegt eine Länge der Raute vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 4,0 mm und eine Breite der Raute liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm. Weist die Vertiefung einen sechseckigen Querschnitt auf, wobei eine Ecke des Sechsecks der Zulauföffnung zugewandt ist und eine andere Ecke des Sechsecks der Ablauföffnung zugewandt ist, so weist die Vertiefung vorzugsweise eine Länge im Bereich von 0,5 mm bis 4,0 mm und eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm auf.

In einer anderen Ausführungsform der mikrofluidischen Kartusche ist die Kammer eine Arraykammer. Unter einer Arraykammer wird eine Kammer verstanden, in der ein Array mit mehreren sacklochförmigen Vertiefungen angeordnet ist. In diesen Vertiefungen können Chemikalien vorgelagert sein, um chemische Reaktionen mit einer Probe einzugehen, die in die Arraykammer eingeleitet wird und die sich in den Vertiefungen sammelt. Insbesondere kann die Arraykammer ein transparentes Fenster aufweisen, das es der mikrofluidischen Vorrichtung ermöglicht, das Ergebnis der in den Vertiefungen ablaufenden Reaktionen optisch auszuwerten. Das Array ist auf der der Pneumatikschicht zugewandten Seite der Arraykammer angeordnet. Die Anordnung der Vertiefung in der von der Pneumatikschicht abgewandten Seite der Kammer ermöglicht somit ein Sammeln magnetischer Partikel in der Vertiefung, ohne dabei die Funktion des Arrays zu beeinträchtigen oder an diesen bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen.
Eine Länge der Vertiefung entlang einer Strömungsrichtung von einer Zulauföffnung der Arraykammer zu einer Ablauföffnung der Arraykammer beträgt vorzugsweise mindestens 1,0 mm. Hierbei wird unter der Länge die größte Ausdehnung entlang der Strömungsrichtung verstanden. Eine Breite der Vertiefung orthogonal zu der Strömungsrichtung beträgt vorzugsweise ebenfalls mindestens 1,0 mm. Hierbei wird unter der Breite die größte Ausdehnung orthogonal zu der Strömungsrichtung verstanden. Diese Dimensionierung der Vertiefung ist unter den Strömungsbedingungen einer Arraykammer, in der üblicherweise geringere Kräfte als in einer Amplifikationskammer auftreten, vorteilhaft. Weitere bevorzugte Abmessungen der Vertiefung hängen von ihrer Form ab:

Wenn die Vertiefung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, liegt ihr Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 8,0 mm. Wenn sie einen ovalen Querschnitt aufweist, liegt entweder ihre Länge vorzugsweise im Bereich von 2,0 bis 10,0 mm und ihre Breite vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 5,0 mm, oder ihre Länge liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 5,0 mm und ihre Breite liegt vorzugsweise im Bereich von 2,0 mm bis 10,0 mm. Wenn die Vertiefung einen tropfenförmigen Querschnitt aufweist, wobei die Spitze des Tropfens der Zulauföffnung zugewandt ist, dann liegt die Länge vorzugsweise im Bereich von 2,0 bis 10,0 mm und die Breite der Vertiefung liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 5,0 mm. Wenn die Vertiefung einen viereckigen, rautenförmigen Querschnitt aufweist, wobei eine Ecke der Raute der Zulauföffnung zugewandt ist und eine andere Ecke der Raute der Ablauföffnung zugewandt ist, liegt die Länge vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 10,0 mm und die Breite liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 8,0 mm. Wenn die Vertiefung einen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Spitze des Dreiecks der Ablauföffnung zugewandt ist und die dieser Spitze gegenüberliegende Seite der Zulauföffnung zugewandt ist, dann liegt die Länge der Vertiefung vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 10,0 mm und ihre Breite liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 8,0 mm. Wenn die Vertiefung einen sechseckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Spitze des Sechsecks der Zulauföffnung zugewandt ist und eine andere Spitze des Sechsecks der Ablauföffnung zugewandt ist, dann liegt eine Länge der Vertiefung vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 10,0 mm und eine Breite der Vertiefung liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 8,0 mm. Wenn die Vertiefung einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Seite des Rechtecks der Zulauföffnung zugewandt ist und eine andere Seite des Rechtecks der Ablauföffnung zugewandt ist, dann liegt eine Länge der Vertiefung vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 10,0 mm und eine Breite der Vertiefung liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 8,0 mm. Die Ecken des Rechtecks können spitz oder abgerundet sein. Wenn die Vertiefung einen fünfeckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Spitze des Fünfecks der Ablauföffnung zugewandt ist und eine Seite des Fünfecks der Zulauföffnung zugewandt ist, dann liegt eine Länge der Vertiefung vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 10,0 mm und eine Breite der Vertiefung liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 8,0 mm. Die Länge der Seite des Fünfecks, die der Zulauföffnung zugewandt ist, liegt vorzugsweise im Bereich von 1,0 mm bis 5,0 mm.

Ein Seitenwinkel der Vertiefung liegt in allen Ausführungsformen der mikrofluidischen Kartusche vorzugsweise im Bereich von 90° bis 135°. In einer Ausführungsform, in der der Seitenwinkel 90° beträgt, sind magnetische Partikel besonders effektiv vor einem Ausspülen aus der Vertiefung geschützt. In einer anderen Ausführungsform, in der der Seitenwinkel mehr als 90° bis 135° beträgt, wird ein Ausspülen hingegen durch die Form der Vertiefung gezielt begünstigt, um die Partikel schnell in den Innenraum der Kammer freisetzen zu können.
Eine Tiefe der Vertiefung beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 mm, um eine große Menge magnetischer Partikel in dieser sammeln zu können, ohne dass sie zu schnell wieder aus der Vertiefung ausgespült werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Abstand zwischen einer Unterseite der Vertiefung und einer Außenseite der Fluidikschicht mindestens 0,3 mm beträgt, damit eine ausreichende Stabilität der Fluidikschicht gewährleistet bleibt. Wenn die Kammer eine Amplifikationskammer ist, kann dies insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Tiefe der Vertiefung maximal 0,5 mm beträgt. Wenn die Kammer eine Arraykammer ist, kann dies insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Tiefe der Vertiefung maximal 1,1 mm beträgt.
Die mikrofluidische Vorrichtung weist neben der mikrofluidischen Kartusche einen ersten Magneten auf, der an einer Außenseite der Fluidikschicht an der Vertiefung angeordnet ist. Mittels seines Magnetfelds können magnetische Partikel in der Vertiefung gesammelt werden. Vorzugsweise ist der Magnet als Elektromagnet ausgeführt, sodass das Magnetfeld bedarfsgerecht schnell eingeschaltet und abgeschaltet werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die mikrofluidische Vorrichtung weiterhin einen zweiten Magneten aufweist, der an einer Außenseite der Pneumatikschicht gegenüber dem ersten Magneten angeordnet ist. Auch der zweite Magnet ist vorzugsweise als Elektromagnet ausgeführt. Wenn das Magnetfeld des ersten Magneten abgeschaltet ist, kann durch ein Einschalten des Magnetfelds des zweiten Magneten ein Entfernen der magnetischen Partikel aus der Vertiefung beschleunigt werden, indem diese in Richtung des zweiten Magneten gezogen werden.
Insbesondere dann, wenn die mikrofluidische Kartusche eine Vertiefung mit einer großen Abmessung orthogonal zur Strömungsrichtung aufweist, ist es bevorzugt, dass der erste Magnet und, sofern vorhanden, der zweite Magnet orthogonal zu der Strömungsrichtung beweglich angeordnet ist. Durch ein Hin- und Herbewegen des Magneten kann dann sichergestellt werden, dass auch bei Verwendung eines schmalen Magneten eine Austragung der magnetischen Partikel aus der Vertiefung durch den ersten Magneten sicher verhindert wird, oder die Austragung durch den zweiten Magneten wirksam beschleunigt wird.
In dem Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird in einem ersten Schritt mittels des ersten Magneten ein erstes Magnetfeld an die Kammer angelegt. Dadurch werden magnetische Partikel in der Vertiefung gesammelt. In einem zweiten Schritt wird das erste Magnetfeld entfernt. Die Partikel werden dann ebenfalls aus der Vertiefung entfernt.
Das Entfernen der Partikel aus der Vertiefung kann dadurch erfolgen, dass ein durch die Kammer strömendes Fluid diese mitnimmt. Insbesondere bei einem niedrigen Seitenwinkel ist es jedoch bevorzugt, dass dann, wenn ein zweiter Magnet vorhanden ist, in dem zweiten Schritt mittels des zweiten Magneten ein zweites Magnetfeld an die Kammer angelegt wird. Hierdurch wird das Entfernen der Partikel aus der Vertiefung beschleunigt.
Wenn zwei Magnete abwechselnd an- und ausschaltet oder mindestens ein Magnet entlang der Kartusche bewegt wird, kann außerdem eine lokale Bewegung der magnetischen Partikel erzeugt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Waschvorgänge unter Verwendung eines Waschpuffers durchgeführt werden. Eine zu waschende Substanz, beispielsweise eine Nukleinsäure bleibt dabei auf den magnetischen Partikeln gebunden und wird von Rückständen wie beispielsweise Chemikalien und Salzen befreit. Hierbei ist es besonders effizient, wenn die magnetischen Partikel bewegt werden und nicht als kompaktes Pellet verharren. Bei diesem Vorgang wird ein fluidischer Strom durch die Kammer insbesondere gestoppt, um die magnetischen Partikel nicht in der Fluidikschicht zu verteilen. Dann erfolgt ein Waschen in der Kammer.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Verfahrensschritt.
2 zeigt die Kammer gemäß 1 in einem zweiten Verfahrensschritt.
3 zeigt die Kammer gemäß 1 in einem dritten Verfahrensschritt.
4 zeigt in einer Detailansicht Abmessungen einer Vertiefung in einer Kammer einer mikrofluidischen Kartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 bis 9 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer mikrofluidischen Kartusche, die eine Vertiefung in einer Amplifikationskammer aufweist.
10 zeigt eine Schnittansicht einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Verfahrensschritt.
11 zeigt die mikrofluidische Vorrichtung gemäß 10 in einem zweiten Verfahrensschritt.
12 zeigt die mikrofluidische Vorrichtung gemäß 10 in einem dritten Verfahrensschritt.
13 bis 22 zeigen Ausführungsbeispiele mikrofluidischer Kartuschen, die eine Vertiefung in einer Arraykammer aufweisen.
23 zeigt schematisch Elemente einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Verfahrensschritt.
24 zeigt schematisch Elemente der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß 23 in einem weiteren Verfahrensschritt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 1 dargestellt ist, weist eine mikrofluidisch Vorrichtung 10 eine Kartusche 20 auf, die zwischen zwei Magneten 11, 12 angeordnet ist. Die Kartusche weist eine Fluidikschicht 21 auf, deren Substrat beispielsweise aus Polycarbonat besteht und eine Pneumatikschicht 23 auf, deren Substrat beispielsweise ebenfalls aus Polycarbonat besteht. Zwischen der Fluidikschicht 21 und der Pneumatikschicht 22 ist eine Elastomermembran 23 angeordnet, die beispielsweise aus thermoplastischem Polyurethan besteht. In der Fluidikschicht 21 ist eine Kammer 24 angeordnet, die als Amplifikationskammer ausgeführt ist. Sie weist eine Vertiefung 25 in ihrer von der Pneumatikschicht 22 abgewandten Seite auf. Die Vertiefung 25 liegt auf einer gemeinsamen Geraden mit den beiden Magneten 11, 12. Wenn der erste Magnet 11 eingeschaltet ist und der zweite Magnet 12 ausgeschaltet ist, dann werden magnetische Partikel 40, die von einem entlang einer Strömungsrichtung 30 durch die Kammer 24 strömenden Fluid transportiert werden, in der Vertiefung 25 gesammelt.
Wird der erste Magnet 11 abgeschaltet, so beginnen die magnetischen Partikel 40 entlang einer Austragerichtung 31 in die Strömung des Fluids überzugehen, um schließlich von diesem entlang der Strömungsrichtung 30 aus der Kammer 24 ausgetragen zu werden. Wird, wie in 3 dargestellt ist, der zweite Magnet eingeschaltet, so zieht er die magnetischen Partikel 40 in Richtung der Pneumatikschicht 22 und damit aus der Vertiefung 25 heraus. Hierdurch wird das Austragen der magnetischen Partikel 40 aus der Vertiefung 25 beschleunigt.
4 zeigt Details der Kammer 24. Die Vertiefung 25 weist beispielsweise einen Seitenwinkel a von 135° auf. Ihre Tiefe t beträgt beispielsweise 0,6 mm. Der Abstand a von der Unterseite der Vertiefung 25 bis zur Oberseite der Fluidikschicht 21 beträgt damit beispielsweise noch 0,5 mm, wenn die Dicke des Kunststoffsubstrats der Fluidikschicht 21 oberhalb der Kammer 24 1,1 mm beträgt.
Im Folgenden werden unterschiedliche Geometrien der Vertiefung 25 in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung beispielhaft beschrieben:
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die Vertiefung 25 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der Durchmesser des Kreises beträgt beispielsweise 2,0 mm. Damit beträgt seine Länge H entlang der Strömungsrichtung 30 ebenfalls 2,0 mm.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die Vertiefung 25 einen ovalen Querschnitt aufweist. Ihre Länge H entlang der Strömungsrichtung 30 beträgt beispielsweise 2,0 mm und ihre Breite D orthogonal zu der Strömungsrichtung 30 beträgt beispielsweise 1,0 mm.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung einen quadratischen Querschnitt aufweist. Dessen Länge H, die von einer Ecke des Quadrats zu einer anderen Ecke gemessen wird, beträgt beispielsweise 1,0 mm. Die Breite D, die zwischen den beiden verbleibenden Ecken des Quadrats gemessen wird, beträgt dann ebenfalls 1,0 mm.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen rautenförmigen Querschnitt aufweist. Die Länge H der Vertiefung 25, die zwischen zwei Ecken der Raute gemessen wird, beträgt beispielsweise 1,5 mm und die Breite D, die zwischen den beiden weiteren Ecken gemessen wird, beträgt 1,0 mm.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen sechseckigen Querschnitt aufweist. Die Länge H der Vertiefung, die zwischen zwei ihrer Ecken gemessen wird, beträgt beispielsweise 3,0 mm und die Breite D der Vertiefung 25, die zwischen zwei ihrer Seiten gemessen wird, beträgt 1,0 mm.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist die Kammer 24 als Arraykammer ausgeführt. Wie in 10 dargestellt ist, unterscheidet sich die Kammer 24 damit von der in 1 dargestellten Kammer 24 dadurch, dass auf der der Vertiefung 25 gegenüberliegenden Seite der Kammer 24 ein Array 26 in das Substrat der Fluidikschicht 21 eingelassen ist. Die Schritte des Sammelns magnetischer Partikel 40 in der Vertiefung 25 und ihrer anschließenden Freisetzung laufen, wie in den 10 bis 12 dargestellt ist, in analoger Weise zu dem in den 1 bis 3 dargestellten Vorgehen in einer Kammer 24 ab, welche als Amplifikationskammer ausgeführt ist.
In den 13 bis 22 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, in denen die Vertiefung 25 in der Arraykammer unterschiedliche Formen aufweist. Die Strömungsrichtung 30 verläuft in den 13 bis 22 jeweils von links nach rechts:

13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der Kreis hat einen Durchmesser von beispielsweise 4,0 mm. Die Länge H der Vertiefung 25 entlang der Strömungsrichtung beträgt also 4,0 mm.

14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen ovalen Querschnitt aufweist. Seine Länge H entlang der Strömungsrichtung 30 beträgt beispielsweise 6,0 mm und seine Breite D orthogonal zur Strömungsrichtung 30 beträgt beispielsweise 2,0 mm.
15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen ovalen Querschnitt aufweist. Die Länge H der Vertiefung 25 beträgt beispielsweise 2,0 mm und ihre Breite D beträgt beispielsweise 6,0 mm.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen tropfenförmigen Querschnitt aufweist. Die Spitze des Tropfens ist der Zulauföffnung der Kammer 24 zugewandt und weist somit entgegen der Strömungsrichtung 30. Die Länge H der Vertiefung 25 beträgt beispielsweise 6,0 mm und ihre Breite D beträgt beispielsweise 4,0 mm.
17 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen rautenförmigen Querschnitt aufweist. Ihre Länge H, die von einer Ecke der Raute zu der gegenüberliegenden Ecke der Raute gemessen wird, beträgt beispielsweise 8,0 mm und ihre Breite, die zwischen den beiden verbleibenden Ecken der Raute gemessen wird, beträgt beispielsweise 6,0 mm.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen dreieckigen Querschnitt aufweist. Eine Ecke des Dreiecks ist der Ablauföffnung der Kammer 24 zugewandt. Die Länge H der Vertiefung 25, die von der der Ablauföffnung zugewandten Ecke zu der gegenüberliegenden Seite des Dreiecks gemessen wird, beträgt beispielsweise 6,0 mm und die Breite D der Vertiefung 25, die zwischen den beiden verbleibenden Ecken gemessen wird, beträgt beispielsweise 4,0 mm.
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 einen sechseckigen Querschnitt aufweist. Die Länge H der Vertiefung 25, die zwischen zwei gegenüberliegenden Ecken des Sechsecks gemessen wird, beträgt beispielsweise 4,0 mm und ihre Breite D, die zwischen zwei parallel zur Strömungsrichtung 30 verlaufenden Seiten des Sechsecks gemessen wird, beträgt beispielsweise 4,0 mm.
20 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 die Form eines Recktecks mit abgerundeten Ecken aufweist. Zwei Seiten des Rechtecks verlaufen parallel zur Strömungsrichtung 30 und zwei Seiten verlaufen orthogonal zur Strömungsrichtung 30. Die Länge H der Vertiefung 25 beträgt beispielsweise 6,0 mm und ihre Breite D beträgt beispielsweise 4,0 mm.
21 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Vertiefung 25 die Form eines Rechtecks mit spitzen Ecken aufweist. Die Ausrichtung und die Abmessungen dieses Rechtecks entsprechen dem Rechteck in 20.
22 zeigt eine Ausführungsform, in der die Vertiefung die Form eines Fünfecks aufweist. Eine Spitze des Fünfecks ist der Ablauföffnung der Kammer 24 zugewandt. Die Länge der Vertiefung 25, die zwischen dieser Spitze und der gegenüberliegenden Seite gemessen wird, beträgt beispielsweise 6,0 mm. Die Länge D1 jener Seite, die orthogonal zur Strömungsrichtung 30 verläuft, beträgt beispielsweise 3,0 mm. Der Abstand D2 zwischen den beiden Ecken, welche der der Ablauföffnung zugewandten Ecke benachbart sind, beträgt beispielsweise 6,0 mm. Er entspricht der Breite D der Vertiefung 25.
Wenn die Vertiefung 25 die Abmessungen gemäß 15 aufweist, dann ist in einem Ausführungsbeispiel der mikrofluidischen Vorrichtung 10 vorgesehen, dass die beiden Magnete 11, 12 orthogonal zur Strömungsrichtung 30 beweglich angeordnet sind. 23 zeigt eine vereinfachte Darstellung der mikrofluidischen Vorrichtung 10, in welcher nur die beiden Magnete 11, 12 und die Vertiefung 25 dargestellt sind. Während mittels des ersten Magnete 11 ein Magnetfeld an die Kammer 24 angelegt wird, wird der erste Magnet 11 entlang einer Bewegungsrichtung 13 orthogonal zur Strömungsrichtung 30 und parallel zur längsten Abmessung der Vertiefung 25 hin- und herverfahren, um so ein sicheres Sammeln der magnetischen Partikel 40 über die gesamte Breite der Vertiefung 25 sicherzustellen. Wird der erste Magnet 11 abgeschaltet und der zweite Magnet 12 angeschaltet, dann wird, wie in 24 dargestellt ist, der zweite Magnet 12 entlang der Bewegungsrichtung 13 hin- und herverfahren, um die magnetischen Partikel 40 schnell aus der gesamten Vertiefung 25 zu entfernen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017218849 A1 [0003]

Claims

Mikrofluidische Kartusche (20), aufweisend eine Fluidikschicht (21) und eine Pneumatikschicht (22), wobei mindestens eine Kammer (24) in der Fluidikschicht (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (24) eine Vertiefung (25) in ihrer von der Pneumatikschicht (22) abgewandten Seite aufweist.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (24) eine Amplifikationskammer ist.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (H) der Vertiefung (25) entlang einer Strömungsrichtung (30) durch die Kammer mindestens 0,5 mm beträgt und eine Breite (D) der Vertiefung (25) orthogonal zu der Strömungsrichtung (30) mindestens 0,5 mm beträgt.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (24) eine Arraykammer ist.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (H) der Vertiefung (25) entlang einer Strömungsrichtung (30) durch die Kammer mindestens 1,0 mm beträgt und eine Breite (D) der Vertiefung (25) orthogonal zu der Strömungsrichtung (30) mindestens 1,0 mm beträgt.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (25) einen Seitenwinkel (α) im Bereich von größer oder gleich 90° bis kleiner oder gleich 135° aufweist.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe (t) der Vertiefung (25) mindestens 0,1 mm beträgt.
Mikrofluidische Kartusche (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) zwischen einer Unterseite der Vertiefung (25) und einer Außenseite der Fluidikschicht (21) mindestens 0,3 mm beträgt.
Mikrofluidische Vorrichtung (10), aufweisend eine mikrofluidische Kartusche (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einen ersten Magneten (11), der an einer Außenseite der Fluidikschicht (21) an der Vertiefung (25) angeordnet ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Magneten (12) aufweist, der an einer Außenseite der Pneumatikschicht (22) gegenüber dem ersten Magneten (11) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, worin in einem ersten Schritt mittels des ersten Magneten (11) ein erstes Magnetfeld an die Kammer (24) angelegt wird und magnetische Partikel (40) in der Vertiefung (25) gesammelt werden und in einem zweiten Schritt das erste Magnetfeld entfernt wird und die Partikel (40) aus der Vertiefung (25) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung (10) nach Anspruch 10 eingesetzt wird, wobei in dem zweiten Schritt mittels des zweiten Magneten (12) ein zweites Magnetfeld an die Kammer (24) angelegt wird.