DE102023207560B3

DE102023207560B3 - Halten und Transferieren von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102023207560B3
Application number: DE102023207560.1A
Authority: DE
Inventors: Truong-Tu Truong; Peter Jülg; Yumi Kaku; Judith Schlanderer; Nils Paust; Tobias Hutzenlaub
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2023-08-07
Filing date: 2023-08-07
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2043-08-08

Abstract

Bei einem Verfahren zum Halten und Transferieren von Flüssigkeit wird ein Fluidikmodul um ein Drehzentrum gedreht, um Teile einer ersten Flüssigkeit aus einem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich in einen Siphonkanal und einen Verbindungskanal zu treiben, ohne dass die erste Flüssigkeit über einen Scheitel des Siphonkanals in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur gelangt und ohne dass die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den Verbindungskanal in einen zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich gelangt. Teile einer zweiten Flüssigkeit werden aus einem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich in den Verbindungskanal getrieben, um zwischen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit in dem Verbindungskanal ein Gasvolumen einzuschließen und die zweite Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich und dem Verbindungskanal zu halten. Durch Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich kann dann die erste Flüssigkeit in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur entleert werden, wodurch der Gegendruck in dem Gasvolumen abgebaut wird und die zweite Flüssigkeit über den Verbindungskanal und den Siphonkanal in die nachgeschaltete Fluidikstruktur transferiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren, Fluidikmodule und Fluidhandhabungsvorrichtungen zum Halten und Transferieren von Flüssigkeiten, und insbesondere zum sequentiellen Halten und Schalten von Flüssigkeiten in zentrifugalmikrofluidischen Systemen.
Neue Anwendungsfelder der Mikrofluidik, beispielsweise Flüssigkeitsbiopsien oder Prozessüberwachungen, erfordern größere Probenvolumina als bisher, wobei in der Regel das Volumen der benötigten Reagenzien mit dem Probenvolumen mitskaliert. Mikrofluidische Plattformen stoßen dadurch an Durchsatz- bzw. Kapazitäts-Grenzen. Beispielsweise können auf zentrifugalmikrofluidischen Plattformen, die beispielsweise unter der Bezeichnung „LabDisk“ bekannt sind, maximal einige wenige 100 µl einer Probe verarbeitet werden. Bei komplexeren Analyseketten sind es weniger als 100 µl Probe. Bei der Flüssigkeitsbiopsie sind jedoch Proben von 1 ml oder mehr wünschenswert. In diesem Zusammenhang steht die hierin beschriebene Erfindung.
Beispielsweise kann eine Kombination von Robotik zum Dispensieren von Flüssigkeit während der Durchführung einer Analyse oder einer Probenvorbereitung und einem zentrifugalmikrofluidischen Chip, auf dem eine Prozesskette durchgeführt wird, das Verarbeiten höherer Probenvolumina ermöglichen. Beispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren, Fluidikmodule und Systeme, die auf einer Robotik und einer Mikrofluidikplattform basieren können, bei denen eine Kombination aus Schaltflüssigkeit, die beispielsweise über eine Robotik in die Mikrofluidikplattform gegeben wird, und einer mikrofluidischen Struktur in der Mikrofluidikplattform genutzt wird, um Flüssigkeit zu einem definierten Zeitpunkt weiterzuschalten.
Stand der Technik
Unterschiedliche Ansätze zum Schalten von Flüssigkeiten sind aus dem Stand der Technik bekannt.
So ist es bekannt, Unterdruck durch den Transfer einer Schaltflüssigkeit zum radialen Einwärtspumpen einer Flüssigkeit zu verwenden. Diesbezüglich verwenden Salar Soroori u.a., „Design and implementation of fluidic micro-pulleys for flow control on centrifugal microfluidic platforms", Microfluid Nanofluid (2014), Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, Seiten 1117 bis 1129, eine Schaltflüssigkeit, die unter Erhöhung von Zentrifugalkräften, die durch eine schnellere Rotation bewirkt wird, nach radial außen gedrängt wird. Durch einen in dem geschlossenen fluidischen System entstehenden Unterdruck wird eine Zielflüssigkeit radial einwärts über einen Siphonkanal in eine Zielkammer gezogen. Das Auslösen des Schaltens erfolgt hier durch eine Erhöhung der Rotationsfrequenz.
Ferner ist es bekannt, Unterdruck durch den Transfer einer Schaltflüssigkeit zum Siphon-Schalten zu verwenden. So verwenden Robert Gorkin u.a., „Suction-enhanced siphon valves for centrifugal microfluidic platforms", Microfluid Nanofluid (2012), Springer-Verlag 2011, Seiten 345 bis 354, einen Unterdruck, der dadurch erzeugt wird, dass eine Transferflüssigkeit an einer T-Kreuzung vorbeiströmt, um einen Siphon zu schalten.
Es ist überdies bekannt, eine Flüssigkeitszugabe zum Schließen einer Entlüftung zu verwenden, um das Schalten eines Siphons mittels eines Unterdrucks zu ermöglichen. Diesbezüglich beschreiben Peter Jülg u.a., „Automated serial dilutions for high-dynamic-range assays enabled by fill-level-coupled valving in centrifugal microfluidics", Lab Chip, 2019, 19, Seiten 2205 bis 2209, eine mikrofluidische Struktur, die in Abhängigkeit der Füllstandshöhe in einer Kammer ein Schalten/Pumpen in eine weitere Kammer ermöglicht. Der Transfer wird dadurch ermöglicht, dass ein Kanal, der als Füllpegel-gekoppelter Siphon bezeichnet wird, zu einem bestimmten Zeitpunkt teilweise mit Flüssigkeit gefüllt wird und somit für Luft nicht mehr zugänglich ist. Als Folge wird die Flüssigkeit über einen weiteren Kanal, der als Transfersiphon bezeichnet wird, weitergepumpt, indem mittels einer Abkühlung eines Luftvolumens ein Unterdruck erzeugt wird, mit dem die Flüssigkeit über den Siphon gezogen wird.
Die US 2017 / 0 151 559 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren in der zentrifugalen Mikrofluidik, bei denen zwei flüssigkeitsgefüllte Kammern durch einen Siphon mit einem Lufteinschluss getrennt sind. Hierbei kann bei einer niedrigen Drehfrequenz eine der Kammern in eine verbundene Auffangstruktur entleert werden. Die zweite Kammer entleert sich erst bei einer höheren Frequenz.
Die DE 10 2013 203 293 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Leiten einer Flüssigkeit durch einen ersten oder zweiten Auslasskanal, wobei mindestens einer der Auslasskanäle hydrodynamisch befüllt wird, aufgrund verschiedener hydraulischer Widerstände gegenüber einem Einlasskanal oder anderen Auslasskanälen.
Aus der DE 10 2021 208 891 B3 ist ein System zum Unterdruckschalten bekannt, bei dem Flüssigkeit aus einer ersten Fluidkammer über einen fluidischen Widerstand zentrifugal in eine zweite Fluidkammer transferiert wird, woraufhin Flüssigkeit unter Rotation aus der zweiten Fluidkammer entleert wird, um dadurch einen Unterdruck in der zweiten Fluidkammer und einer damit verbundenen dritten Fluidkammer zu erzeugen und dadurch Flüssigkeit über eine Flussbarriere aus der ersten Fluidkammer in die dritte Fluidkammer zu ziehen.
Die DE 10 2009 050 979 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses in eine erste Fluidkammer, bei der eine Entlüftung der ersten Fluidkammer gesteuert wird, um einen Fluidfluss in die erste Fluidkammer zu bewirken, wenn sie entlüftet ist, oder in eine zweite Fluidkammer, wenn die erste Fluidkammer nicht entlüftet ist.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren, ein Fluidikmodul und eine Fluidhandhabungsvorrichtung zu schaffen, die ein Weiterschalten von Flüssigkeiten zu einem definierten Zeitpunkt ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, Fluidikmodule nach den Ansprüchen 5 und 6 und eine Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.
Beispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Halten und Transferieren von Flüssigkeit unter Verwendung eines Fluidikmoduls, das einen ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, einen zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich, eine nachgeschaltete Fluidikstruktur, einen Siphonkanal mit einem Scheitel und einen Verbindungskanal aufweist, wobei ein bezüglich eines Drehzentrums radial äußerer Abschnitt des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs über den Siphonkanal mit der nachgeschalteten Fluidikstruktur verbunden ist und der radial äußere Abschnitt des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs über den Verbindungskanal mit einem Auslass des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs fluidisch verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist:

a) Drehen des Fluidikmoduls um das Drehzentrum, um Teile einer in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich eingebrachten ersten Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich in den Siphonkanal und den Verbindungskanal zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der ersten Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, dem Siphonkanal und dem Verbindungskanal zu bewirken, ohne dass die erste Flüssigkeit über einen Scheitel des Siphonkanals in die nachgeschaltete Fluidikstruktur gelangt und ohne dass die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den Verbindungskanal in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich gelangt,
b) Einbringen einer zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich und Drehen der Fluidikmoduls, um Teile der zweiten Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich in den Verbindungskanal zu treiben, um dadurch zwischen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit in dem Verbindungskanal ein Gasvolumen einzuschließen und einen Gegendruck in dem Gasvolumen zu erzeugen, durch den die zweite Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich und dem Verbindungskanal gehalten wird, und
c) Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, um den Flüssigkeitsmeniskus der ersten Flüssigkeit über den Scheitel des Siphonkanals zu bewegen, um dadurch die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den Siphonkanal in die nachgeschaltete Fluidikstruktur zu entleeren, wodurch der Gegendruck in dem Gasvolumen abgebaut wird und die zweite Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den Verbindungskanal und den Siphonkanal in die nachgeschaltete Fluidikstruktur transferiert wird.

Der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich, der Siphonkanal und der Verbindungskanal stellen dabei eine Schaltstruktur dar, die mit der ersten Flüssigkeit, die eine Schaltflüssigkeit darstellt, teilweise gefüllt wird, woraufhin eine zweite Flüssigkeit, die eine Inkubationsflüssigkeit darstellt, in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich, der eine Inkubationsstruktur darstellt, eingebracht wird. Um die zweite Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich zu halten, wird der durch das Drehen, d. h. die Rotation, induzierte hydrostatische Druck der zweiten Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich durch einen hydrostatischen Gegendruck der ersten Flüssigkeit, mit der die Schaltstruktur teilgefüllt ist, ausgeglichen. Der Gegendruck resultiert hierbei aus einem Füllhöhenunterschied zwischen den zwei an den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich angeschlossenen Kanälen, dem Siphonkanal und dem Verbindungskanal, der sich bei Zugabe der zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich einstellt. Zwischen der zweiten Flüssigkeit und der ersten Flüssigkeit befindet sich eingeschlossene Luft in dem Verbindungskanal, der den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich mit dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich verbindet. Das Schalten der zweiten Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich erfolgt durch Zugabe von zusätzlicher Schaltflüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, so dass der Siphonscheitel überschritten wird, und die Schaltflüssigkeit komplett in die nachgeschaltete Fluidikstruktur transferiert wird. Somit entfällt der hydrostatische Gegendruck und der Weg ist frei für den Transfer der zweiten Flüssigkeit durch den Siphonkanal in die nachgeschaltete Fluidikstruktur.
Beispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine neuartige Möglichkeit, um Flüssigkeit in einem zentrifugalmikrofluidischen System zunächst zu halten und dann in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur zu transferieren bzw. zu schalten. Dabei ermöglichen Beispiele der Erfindung durch eine entsprechende Auslegung auch ein Halten und Schalten größerer Flüssigkeitsvolumina.
Bei Beispielen kann ein Einbringen der ersten Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich und/oder das Einbringen der zusätzlichen Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich und/oder das Einbringen der zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich manuell oder unter Verwendung eines Transfermoduls erfolgen. Durch die Verwendung eines Transfermoduls, beispielsweise als Teil einer Robotik, kann dabei eine weitgehende Automatisierung des Verfahrens bewirkt werden. Dagegen kann eine manuelle Zugabe die Komplexität der erforderlichen Hardware reduzieren.
Bei Beispielen weist das Fluidikmodul einen weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich, eine weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur, einen weiteren Siphonkanal und einen weiteren Verbindungskanal auf, wobei ein bezüglich eines Drehzentrums radial äußerer Abschnitt des weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereichs über den weiteren Siphonkanal mit der weiteren nachgeschalteten Fluidikstruktur verbunden ist und der radial äußere Abschnitt des weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereichs über den weiteren Verbindungskanal mit dem ersten Auslass oder einem weiteren Auslass des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs fluidisch verbunden ist. Bei solchen Beispielen kann das Verfahren folgende Merkmale aufweisen:

nach oder während a), Drehen des Fluidikmoduls um das Drehzentrum, um Teile einer in den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich eingebrachten dritten Flüssigkeit aus dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich in den weiteren Siphonkanal und den weiteren Verbindungskanal zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der dritten Flüssigkeit in dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich, dem weiteren Siphonkanal und dem weiteren Verbindungskanal zu bewirken, ohne dass die dritte Flüssigkeit über einen Scheitel des weiteren Siphonkanals in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur gelangt und ohne dass die dritte Flüssigkeit aus dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich über den weiteren Verbindungskanal in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich gelangt,
nach c), Einbringen einer vierten Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich und Drehen des Fluidikmoduls, um Teile der vierten Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich in den Siphonkanal und den Verbindungskanal zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der vierten Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, dem Siphonkanal und dem Verbindungskanal zu bewirken, ohne dass die vierte Flüssigkeit über einen Scheitel des Siphonkanals in die nachgeschaltete Fluidikstruktur gelangt und ohne dass die vierte Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den Verbindungskanal in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich gelangt,

Einbringen einer fünften Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich und Drehen der Fluidikmoduls, um Teile der fünften Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich in den Verbindungskanal und den weiteren Verbindungskanal zu treiben, um dadurch zwischen der dritten Flüssigkeit und der fünften Flüssigkeit in dem weiteren Verbindungskanal und zwischen der vierten Flüssigkeit und der fünften Flüssigkeit in dem Verbindungskanal ein Gasvolumen einzuschließen und einen weiteren Gegendruck zu erzeugen, durch den die fünfte Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich und dem weiteren Verbindungskanal gehalten wird, und
Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit in den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich, um den Flüssigkeitsmeniskus der dritten Flüssigkeit über den Scheitel des weiteren Siphonkanals zu bewegen, um dadurch die dritte Flüssigkeit aus dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich über den weiteren Siphonkanal in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur zu entleeren, wodurch der weitere Gegendruck abgebaut wird und die fünfte Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den weiteren Verbindungskanal und den weiteren Siphonkanal in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur transferiert wird.
Bei Beispielen ist das Verfahren somit wiederholbar, d. h. neben dem Transfer einer ersten Schaltflüssigkeit und einer ersten Inkubationsflüssigkeit können mindestens eine weitere Schaltflüssigkeit (dritte Flüssigkeit) und eine weitere Inkubationsflüssigkeit (fünfte Flüssigkeit) hinzugegeben werden und weitere Halte- und Schalt-Schritte durchgeführt werden.
Bei Beispielen kann das Transferieren der zweiten Flüssigkeit und/oder fünften Flüssigkeit in die nachgeschaltete Fluidikstruktur bewirken, dass die zweite und/oder fünfte Flüssigkeit mit einem Reagenz in Berührung gebracht wird. Beispiele ermöglichen somit auf geeignete Weise ein Halten der zweiten und/oder fünften Flüssigkeit in einer geeigneten Fluidikstruktur, bevor die zweite und/oder fünfte Flüssigkeit in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur, die ein Reagenz aufweist, transferiert wird.
Beispiele der Erfindung schaffen ein Fluidikmodul zum Durchführen von Verfahren wie sie hierin beschrieben sind, das den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich, den Siphonkanal und den Verbindungskanal aufweist, wobei
der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich entlüftet ist,
der zweite Flüssigkeitsaufnahmebereich entlüftet ist,
der Verbindungskanal ein erstes Ende, das mit dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs mündet, aufweist, wobei das erste Ende des Verbindungkanals radial weiter außen ist als das zweite Ende des Verbindungskanals, und
ein Auslassende des Siphonkanals radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs und als ein radial äußeres Ende des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs.
Ein solches Fluidikmodul ist ausgelegt, um die hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, indem der Siphonkanal und der Verbindungskanal jeweils radial ansteigende Abschnitte aufweisen, um ein Halten der ersten Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, dem Siphonkanal und dem Verbindungskanal zu ermöglichen und um zu ermöglichen, dass der durch die Drehung induzierte hydrostatische Druck der zweiten Flüssigkeit durch den hydrostatischen Gegendruck der Schaltflüssigkeit ausgeglichen wird, um beide Flüssigkeiten zu halten, bevor die Flüssigkeiten in die nachfolgende Fluidikstruktur geschaltet werden.
Beispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Fluidikmodul zum Durchführen eines Verfahrens wie es oben beschrieben ist, bei dem ferner eine dritte und fünfte Flüssigkeit gehalten und transferiert werden, das den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich, den Siphonkanal, den Verbindungskanal, den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich, die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur, den weiteren Siphonkanal und den weiteren Verbindungskanal aufweist, wobei
der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich entlüftet ist,
der zweite Flüssigkeitsaufnahmebereich entlüftet ist,
der weitere Flüssigkeitsaufnahmebereich entlüftet ist,
der Verbindungskanal ein erstes Ende, das mit dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs mündet, aufweist, wobei das erste Ende des Verbindungkanals radial weiter außen ist als das zweite Ende des Verbindungskanals,
ein Auslassende des Siphonkanals radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs und als ein radial äußeres Ende des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs,
der weitere Verbindungskanal ein erstes Ende, das mit dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs mündet, aufweist, wobei das erste Ende des weiteren Verbindungkanals radial weiter außen ist als das zweite Ende des weiteren Verbindungskanals,
ein Auslassende des weiteren Siphonkanals radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende des weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereichs und als ein radial äu-ßeres Ende des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs.
Bei solchen Beispielen weisen der Verbindungskanal, der weitere Verbindungskanal, der Siphonkanal und der weitere Siphonkanal jeweils radial ansteigende Abschnitte auf, die die beschriebene Funktionalität ermöglichen. Solche Beispiele ermöglichen somit das Halten und Transferieren weiterer Flüssigkeiten. Die erste und die dritte Flüssigkeit stellen dabei Schaltflüssigkeiten dar und der erste und der weitere Flüssigkeitsaufnahmebereich stellen Schaltflüssigkeitsaufnahmebereiche dar. Bei Beispielen können noch weitere Schaltflüssigkeitsbereiche vorgesehen sein, die auf entsprechende Weise das Halten und Schalten zumindest einer weiteren Inkubationsflüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitshaltebereich ermöglichen.
Bei Beispielen ist in azimutaler Richtung der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich auf einer Seite des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs und der weitere Flüssigkeitsaufnahmebereich auf einer gegenüberliegenden Seite des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs angeordnet.
Bei Beispielen weist der Verbindungskanal einen Kanalabschnitt auf, der sich radial einwärts erstreckt und in azimutaler Richtung auf einer Seite des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich angeordnet ist, und der Siphonkanal weist einen Kanalabschnitt auf, der sich radial einwärts erstreckt und in azimutaler Richtung auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich angeordnet ist. Solche Beispiele ermöglichen eine platzsparende Anordnung in dem Fluidikmodul.
Bei Beispielen ist der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich eine Fluidkammer, wobei der Verbindungskanal und der Siphonkanal auf gegenüberliegenden azimutalen Seiten in die Fluidkammer münden.
Beispiele der Erfindung schaffen eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit einem Fluidikmodul wie es hierin beschrieben ist, und einer Antriebsvorrichtung, die ausgebildet ist, um das Fluidikmodul zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu drehen. Bei Beispielen weist die Fluidhandhabungsvorrichtung ferner zumindest ein Transfermodul auf, das ausgelegt ist, um die erste Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich einzubringen, und/oder die zusätzliche Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich einzubringen und/oder die zweite Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich einzubringen. Beispiele ermöglichen somit eine zumindest teilweise automatisierte Durchführung der Verfahren wie sie hierin beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls zum Halten und Schalten einer ersten und zweiten Flüssigkeit;
2a bis 2d schematische Darstellungen des Fluidikmoduls von 1 zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3a bis 3d schematische Draufsichten auf Fluidikstrukturen eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Halten und Schalten einer ersten, zweiten, dritten und fünften Flüssigkeit; und
4A und 4B schematische Darstellungen von Beispielen erfindungsgemäßer Fluidhandhabungsvorrichtungen.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen wird. Insbesondere können gleiche oder ähnliche Elemente jeweils mit Bezugszeichen versehen sein, die eine gleiche Zahl mit einem unterschiedlichen oder keinem Kleinbuchstaben aufweisen. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, können gegeneinander austauschbar sein. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
Bevor Beispiele der vorliegenden Offenbarung näher erläutert werden, werden Definitionen einiger hierin verwendeter Begriffe angegeben.
Fluidikmodul
Unter einem Fluidikmodul ist hierein ein Modul zu verstehen, das Fluidikstrukturen aufweist, die ausgelegt sind, um eine Flüssigkeitshandhabung, wie sie hierin beschrieben ist, zu ermöglichen. Die Fluidikstrukturen weisen dabei die hierin beschriebenen Fluidaufnahmebereiche und Kanäle auf. Bei Beispielen sind die Fluidikstrukturen Mikrofluidikstrukturen, die zur Prozessierung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliterbereich ausgelegt sind und geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Bei Beispielen ist das Fluidikmodul ein zentrifugalmikrofluidischer Chip.
Zentrifugalmikrofluidischer Chip
Vorrichtung zur Durchführung von fluidischen und/oder biochemischen Prozessen unter Rotation um ein Rotationszentrum. Der zentrifugalmikrofluidische Chip enthält Mikrofluidikstrukturen wie Kanäle und Kammern, in denen Flüssigkeiten bewegt werden. Ausgelöst, angetrieben und gesteuert wird dieses Flüssigkeitsbewegung durch die Rotation des Chips durch eine Rotationseinheit. Fluidikmodule wie sie hierin beschrieben sind, können durch zentrifugalmikrofluidische Chips gebildet sein.
Transfermodul
Vorrichtung zur präzisen und zeitgesteuerten Abgabe (z.B. Dispenser, Pipette, Greifer, etc.) von Flüssigkeiten oder anderen Stoffen und Stoffgemischen. Es transferiert Proben, Reagenzien und Schaltflüssigkeiten in den zentrifugalmikrofluidischen Chip und ggf. Produkte aus dem zentrifugalmikrofluidischen Chip heraus. Ein Transfermodul kann beispielsweise unter Verwendung von Robotik implementiert sein.
Flüssigkeit
Unter den Ausdruck Flüssigkeit, wie er hierin verwendet wird, fallen, wie Fachleuten offensichtlich ist, insbesondere auch Flüssigkeiten, die Feststoffbestandteile beinhalten, wie z.B. Suspensionen, biologische Proben und Reagenzien.
Probe
In diesem Kontext wird als Probe ein Stoffgemisch bezeichnet (z.B. Blutprobe, Wasserprobe, Prozessprobe, Hautprobe, Insekten, etc.), welches innerhalb eines Fluidikmoduls (zentrifugalmikrofluidischen Chips) und zugehöriger Antriebsvorrichtung (Rotationseinheit) vollständig oder teilweise analysiert wird oder in diesem für eine folgende Analyse vorbereitet wird (z.B. DNA Extraktion).
Reagenzien
In diesem Kontext werden als Reagenzien alle Stoffe und Stoffgemische bezeichnet, welche zur Analyse oder Vorbereitung der Probe innerhalb des zentrifugalmikrofluidischen Chips und zugehöriger Antriebsvorrichtung (Rotationseinheit) benötigt werden (z.B. Waschpuffer, Säuren, Verdünnungen, Nanopartikel, etc.).
Schaltflüssigkeit
Die Funktion von Schaltflüssigkeiten besteht darin, einen Schaltvorgang realisieren. Schaltflüssigkeiten werden hierein verwendet, um andere Flüssigkeiten zu schalten. Daneben können Schaltflüssigkeiten auch zusätzlich zur Interaktion genutzt werden, beispielsweise zum Verdünnen oder zum Vermischen mit der Probe, beispielsweise in einer nachgeschalteten Fluidikstruktur.
Inkubationsflüssiakeit
Unter Inkubationsflüssigkeit wird hierin eine Flüssigkeit verstanden, die Gegenstand einer Prozessierung und/oder Untersuchung ist und zu diesem Zweck mit anderen Stoffen interagieren kann bzw. mit anderen Stoffen inkubiert wird.
Siphonkanal
In einem Fluidikmodul (zentrifugalmikrofluidischen Chip) befindlicher mikrofluidischer Kanal oder Teil eines mikrofluidischen Kanals, bei dem Kanalabschnitte vor und nach einem Zwischenabschnitt des Kanals einen größeren Abstand vom Drehzentrum aufweisen als ein Zwischenabschnitt des Kanals (inverser Siphon). Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich des Siphonkanals mit minimalem Abstand vom Rotationszentrum zu verstehen.
Hydrostatischer Druck
Der hydrostatische Druck p_{Hydrostatisch} auf eine Flüssigkeitssäule in einem Kanal im zentrifugalen Schwerefeld kann mit folgender Formel berechnet werden: $Δ p_{H y d r o s t a t i s c h} = \frac{ρ}{2} * ω^{2} * (r_{a}^{2} - r_{i}^{2})$
Dabei steht ρ für die Dichte der Flüssigkeit, ω für die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Kanal um das Rotationszentrum dreht, r_a für den äußeren Radius der Flüssigkeitssäule und r_i für den inneren Radius der Flüssigkeitssäule.
Fluidkanal/Fluidkammer
Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr als 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierein eine Kammer die solche Abmessungen aufweist, dass bei der Durchströmung der Kammer ein im Vergleich zu verbundenen Kanälen vernachlässigbarer Strömungswiderstand auftritt, der beispielsweise 1/100 oder 1/1000 des Strömungswiderstands der an die Kammer angeschlossenen Kanalstruktur mit kleinstem Strömungswiderstand betragen kann.
Radial
Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann. Radial weiter außen bedeutet somit weiter vom Rotationszentrum weg und radial weiter innen bedeutet näher am Rotationszentrum.
Ist hierin nichts anderes angegeben, ist hinsichtlich temperaturabhängiger Größen jeweils von Raumtemperatur (20°C) auszugehen.
Beispiele der vorliegenden Erfindung sind auf Verfahren und Vorrichtungen zum Halten von Flüssigkeiten und zum gezielten Schalten von Flüssigkeiten zu einem gewünschten Zeitpunkt gerichtet, insbesondere in einem zentrifugalmikrofluidischen Chip. Entsprechende Vorrichtungen können hierbei monolithisch in den zentrifugalmikrofluidischen Chip integrierbar bzw. leicht fertigbar sein. Bei Beispielen weist der strukturierte mikrofluidische Chip keine zusätzlichen Komponenten, wie beispielsweise Wachsventile, die aufgeschmolzen werden müssen, auf. Bei Beispielen kann das erfindungsgemäße Verfahren weitestgehend unabhängig von der Zeit, Temperatur und von Frequenzprotokollen sein und ist auf einen weiten Bereich von Volumina anpassbar.
Das Halten der Inkubationsflüssigkeit (zweite und fünfte Flüssigkeiten in den Ansprüchen), bei der es sich um Proben und/oder Reagenzien handeln kann, unter Rotation in einer Struktur, die nachfolgend auch als Inkubationskammer bezeichnet wird, kann dabei durch einen ausgleichenden Gegendruck aus einer über einen Kanal verbundenen mit Schaltflüssigkeit (erste und dritte Flüssigkeit in den Ansprüchen) teilgefüllten Struktur erfolgen, die nachfolgend auch als Schaltstruktur bezeichnet wird. Die Schaltstruktur kann aus einer Schaltkammer und zwei angeschlossenen Kanälen, dem Siphonkanal und dem Verbindungskanal, bestehen. Hierbei kann im Verfahren die Schaltstruktur zuerst mit Schaltflüssigkeit teilgefüllt werden. Nachfolgend wird die Inkubationsstruktur mit Inkubationsflüssigkeit gefüllt. Um die Inkubationsflüssigkeit in der Inkubationsstruktur zu halten, wird der durch die Rotation induzierte hydrostatische Druck der Inkubationsflüssigkeit in der Inkubationsstruktur durch einen hydrostatischen Gegendruck der Schaltflüssigkeit ausgeglichen. Der Gegendruck resultiert hierbei aus dem Füllhöhenunterschied zwischen den zwei an die Schaltkammer angeschlossenen Kanälen (Siphonkanal und Verbindungskanal), der sich bei Zugabe der Inkubationsflüssigkeit in die Inkubationsstruktur einstellt. Zwischen der Inkubationsflüssigkeit und der Schaltflüssigkeit befindet sich eingeschlossene Luft im Verbindungskanal, der die Inkubationsstruktur mit der Schaltstruktur verbindet.
Das Schalten der Inkubationsflüssigkeit aus der Inkubationsstruktur erfolgt durch Zugabe von zusätzlicher Schaltflüssigkeit in die bereits teilweise mit Schaltflüssigkeit gefüllte Schaltstruktur. Die Schaltstruktur ist über den Siphonkanal, welcher einen inversen Siphon enthält, mit einer nachfolgenden Mikrofluidik verbunden. Diese zusätzliche Gabe an Schaltflüssigkeit verursacht, dass der Siphonscheitel überschritten wird und die Schaltflüssigkeit komplett in die nachfolgende Struktur (nachgeschaltete Fluidikstruktur) geschaltet wird. Somit entfällt der hydrostatische Gegendruck und der Weg ist frei für den Transfer der Inkubationsflüssigkeit, damit diese wiederum in die nachfolgende mikrofluidische Struktur geschaltet werden kann. Das Vorlegen bzw. die Zugabe der Schaltflüssigkeit und/oder der Inkubationsflüssigkeit kann dabei entweder manuell, beispielsweise mittels einer Pipette, oder durch ein Transfermodul erfolgen. Das Verfahren ist wiederholbar, d. h. nach dem Transfer einer ersten Schalt- und Inkubationsflüssigkeit könnte mindestens eine zweite Schalt- und Inkubationsflüssigkeit hinzugegeben werden und weitere Halte- und Schalt-Schritte könnten durchgeführt werden.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren zum Stand der Technik von Sorooir und Gorkin wird erfindungsgemäß das Schalten durch die Flüssigkeitszugabe ausgelöst, was es weitestgehend frequenzunabhängig macht. Bei dem oben genannten Stand der Technik von Jülg wird durch die Flüssigkeitszugabe eine Entlüftung verschlossen, wodurch es möglich ist, Flüssigkeit mittels Unterdruck über den Siphon zu ziehen. Erfindungsgemäß verursacht die Zugabe von Schaltflüssigkeit, dass der Siphon durch die Schaltflüssigkeit überschritten wird, die Schaltflüssigkeit in die nachfolgende Struktur geschaltet wird, und somit der Weg frei ist für den Transfer der Inkubationsflüssigkeit (Probe/Reagenzien), damit diese in die nachfolgende Struktur weitergeschaltet werden kann. Im Unterschied zu dem in der US 9,625,916 B2 beschriebenen Stand der Technik wird erfindungsgemäß das Schalten durch die Flüssigkeitszugabe ausgelöst, so dass es weitestgehend frequenzunabhängig ist. Auch wird bei Beispielen der Erfindung zwischen der Inkubationskammer und der Schaltkammer kein Siphon benötigt, sondern ein Siphonkanal verbindet sowohl die Schaltkammer als auch die Inkubationskammer mit der nachfolgenden Mikrofluidik.
1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls 10, das Fluidikstrukturen zum Durchführen von Ausführungsbeispielen hierin beschriebener Verfahren aufweist. Die Fluidikstrukturen weisen einen ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich 12, einen zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich 14, nachgeschaltete Fluidikstrukturen 16, einen Siphonkanal 18 und einen Verbindungskanal 20 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich 12 durch eine Schaltkammer gebildet und der zweite Flüssigkeitsaufnahmebereich 14 ist durch eine Inkubationskammer gebildet. Im Folgenden wird somit jeweils auf die Schaltkammer 12 und die Inkubationskammer 14 Bezug genommen. Es bedarf jedoch keiner separaten Erläuterung, dass die Flüssigkeitsaufnahmebereiche auch jeweils durch mehrere Kammern oder kammerähnliche Fluidikstrukturen gebildet sein können, die zur Aufnahme von Flüssigkeit ausgelegt sind, um die hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 kann ebenfalls durch eine Fluidkammer gebildet sein, in der beispielsweise Reagenzien vorgelagert sind. Es bedarf jedoch keiner weiteren Erläuterung, dass die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 durch eine beliebige nachfolgende Mikrofluidik gebildet sein kann, in die die Flüssigkeiten aus dem Siphonkanal 18 transferiert werden, wobei diese nachgeschaltet ist, da sie sich stromabwärts bezüglich des Siphonkanals 18 befindet.
Die Schaltkammer 12, die Inkubationskammer 14 und die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 sind jeweils entlüftet, wie durch Entlüftungen e in 1 angedeutet ist, derart, dass, wenn Flüssigkeiten beim Durchführen der Verfahren in diese eingebracht oder aus diesen entleert werden, kein die Verfahren beeinflussender Überdruck oder Unterdruck in der Schaltkammer 12, der Inkubationskammer 14 und der nachgeschalteten Fluidikstruktur 16 erzeugt wird.
Ein radial äußerer Abschnitt der Schaltkammer 12 ist über den Siphonkanal 18 mit der nachgeschalteten Fluidikstruktur 16 verbunden. Der radial äußere Abschnitt der Schaltkammer 12 ist über den Verbindungskanal 20 mit einem Auslass der Inkubationskammer 14 verbunden. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel mündet der Siphonkanal 18 in das radial äußere Ende der Schaltkammer 12, was ein vollständiges Entleeren der Schaltkammer 12 über den Siphonkanal 18 ermöglicht. Bei anderen Beispielen könnten der Siphonkanal 18 und/oder der Verbindungskanal 20 beabstandet vom radial äußeren Ende in die Schaltkammer 12 münden. Der Verbindungskanal 20 weist ein erstes Ende auf, das mit der Schaltkammer 12 fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt, beispielsweise ein radial äußeres Ende, der Inkubationskammer 14 mündet. Das erste Ende des Verbindungskanals 20 ist radial weiter außen angeordnet als das zweite Ende des Verbindungskanals 20. Somit ist der Verbindungskanal von der Schaltkammer 12 zu der Inkubationskammer 14 radial ansteigend oder weist zumindest einen radial ansteigenden Abschnitt auf. Der Siphonkanal weist einen radial ansteigenden Abschnitt bis zu einem radial inneren Siphonscheitel desselben auf. Ein Auslassende des Siphonkanals 18, das in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 mündet, ist radial weiter außen angeordnet als ein radial äußeres Ende der Schaltkammer 12 und als ein radial äußeres Ende der Inkubationskammer 14. Somit ist es möglich, die Schaltkammer 12 und die Inkubationskammer 14 über den Siphonkanal 18 vollständig, oder zumindest bis zu der jeweiligen radialen Position, an der der Siphonkanal 18 bzw. der Verbindungskanal 20 in dieselben münden, zu entleeren.
Bei dem gezeigten Beispiel münden der Siphonkanal 18 und der Verbindungskanal 20 an azimutal gegenüberliegenden Seiten in die Schaltkammer 12. Somit bildet die Schaltkammer 12 und ein Kanal, der durch den Siphonkanal 18 und den Verbindungskanal 20 gebildet ist, eine T-Kreuzung. Bei alternativen Ausführungsbeispielen mündet der Verbindungskanal 20 nicht in die Schaltkammer 12, sondern mündet in den Siphonkanal 18, und zwar in einem Bereich desselben, der zwischen dem inversen Siphon desselben und der Mündung des Siphonkanals in die Schaltkammer 12 liegt.
Wie in 1 gezeigt ist, können die Schaltkammer 12 und die Inkubationskammer 14 jeweilige Einlässe 22 und 24 aufweisen, über die Flüssigkeiten in die Schaltkammer 12 und die Inkubationskammer 14 eingebracht werden können.
Bei Beispielen weist somit das Fluidikmodul eine Inkubationskammer auf, die entlüftet ist und mit einer Möglichkeit versehen ist, Inkubationsflüssigkeit in die Inkubationskammer einzubringen, wobei die Inkubationskammer über einen Verbindungskanal mit einer radial weiter außenliegenden Schaltkammer verbunden ist. Die Schaltkammer ist zudem mit einem Siphonkanal verbunden, dessen Verlauf einen inversen Siphon beinhaltet und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer nachfolgenden Mikrofluidik beliebiger Ausprägung verbindet. Schaltkammer, Verbindungskanal und Siphonkanal können als Schaltstruktur bezeichnet werden, die entlüftet ist und mit einer Möglichkeit versehen ist, Schaltflüssigkeit in die Schaltstruktur einzubringen.
Wie in 1 gezeigt ist, weist der Verbindungskanal einen Kanalabschnitt auf, der sich radial einwärts erstreckt und in azimutaler Richtung auf einer Seite der Schaltkammer 12 angeordnet ist, und der Siphonkanal 18 weist einen Kanalabschnitt auf, der sich radial einwärts erstreckt und in azimutaler Richtung auf einer gegenüberliegenden Seite der Schaltkammer 12 angeordnet ist. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung der Fluidikstrukturen in dem Fluidikmodul 10. Alternativ könnten die sich radial einwärts erstreckenden Abschnitte auch auf der gleichen Seite der Schaltkammer 12 angeordnet sein. Bei Beispielen weist der Verbindungskanal keinen inversen Siphon auf.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weist der Verbindungskanal 20 einen ersten Kanalabschnitt, der sich von der Inkubationskammer 14 radial nach außen erstreckt, einen zweiten Kanalabschnitt, der sich von dem ersten Kanalabschnitt zumindest teilweise in azimutaler Richtung erstreckt und einen dritten Kanalabschnitt, der sich von dem zweiten Kanalabschnitt radial nach außen erstreckt, auf. Bei anderen Beispielen kann der Verbindungskanal einen anderen Verlauf aufweisen, beispielsweise einen geraden oder gebogenen Kanal, der den radial äußeren Abschnitt der Schaltkammer 12 mit dem radial äußeren Abschnitt der Inkubationskammer 14 verbindet und entsprechend klein ist, um einen stabilen Lufteinschluss zu ermöglichen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Halten und Transferieren von Flüssigkeit Bezug nehmend auf das Fluidikmodul 10, das in 1 gezeigt ist, und Bezug nehmend auf die 2a bis 2d beschrieben.
In einem ersten Schritt, der als Zu-Schalten bezeichnet werden kann, wird die Schaltstruktur, die durch die Schaltkammer 12, den Siphonkanal 18 und den Verbindungskanal 20 gebildet ist, beispielsweise über den Einlass 22, so teilweise mit Schaltflüssigkeit 30 befüllt, so dass unter Rotation ein im Siphonkanal 18 befindlicher Scheitelpunkt des inversen Siphons nicht überschritten wird. Die Befüllung kann beispielsweise mittels Pipette von Hand oder über ein Transfermodul geschehen. Falls ein Transfermodul verwendet wird, kann dies auch unter Rotation geschehen. Wie durch einen Pfeil 32 in 2a gezeigt ist, wird das Fluidikmodul um das Drehzentrum R gedreht, um Teile der in die Schaltkammer 12 eingebrachten Schaltflüssigkeit aus der Schaltkammer 12 in den Siphonkanal 18 und den Verbindungskanal 20 zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der Schaltflüssigkeit in der Schaltkammer 12, dem Siphonkanal 18 und dem Verbindungskanal 20 zu bewirken, ohne dass die Schaltflüssigkeit 30 über den Scheitel des Siphonkanals 18 in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 gelangt und ohne dass die Schaltflüssigkeit aus der Schaltkammer 12 über den Verbindungskanal 20 in die Inkubationskammer 14 gelangt. Die Schaltflüssigkeit kann in die Schaltstruktur eingebracht werden, bevor die Drehung des Fluidikmoduls gestartet wird, während die Drehung des Fluidikmoduls gestartet wird, oder nachdem die Drehung des Fluidikmoduls gestartet wurde. Aufgrund der Drehung ordnet sich die Schaltflüssigkeit radial auswärts in der Schaltstruktur an. Die Flüssigkeitsmenisken in dem Siphonkanal 18, der Schaltkammer 12 und dem Verbindungskanal 20 befinden sich auf einer radialen Höhe r, wie in 2a gezeigt ist.
In einem zweiten Schritt, der als Halten bezeichnet werden kann, wird Inkubationsflüssigkeit 34 in die Inkubationskammer 14 eingebracht, beispielsweise über den Einlass 24. Dies kann beispielsweise unter Verwendung eines Transfermoduls unter Rotation erfolgen. Unter Rotation ordnet sich die Inkubationsflüssigkeit 34 radial auswärts in der Inkubationskammer 14 an und ein Teil der Inkubationsflüssigkeit 34 dringt in den Verbindungskanal 20 ein, was zu einem Lufteinschluss zwischen der Inkubationsflüssigkeit 34 und der Schaltflüssigkeit 30 in dem Verbindungskanal 20 führt. Durch das Eindringen wird die Luft in dem Verbindungskanal 20 komprimiert und der Druck führt dazu, dass sich die Flüssigkeitsmenisken in dem Siphonkanal 18 und der Schaltkammer 12 radial einwärts verschieben, siehe r₃ in 2b, und sich der Flüssigkeitsmeniskus in dem Verbindungskanal radial auswärts verschiebt, siehe r₄ in 2b. Der Flüssigkeitsmeniskus der Inkubationsflüssigkeit 34 in dem Verbindungskanal 20 befindet sich bei r₂. Aufgrund der unterschiedlichen Höhen der Flüssigkeitsmenisken in der Schaltstruktur kommt es zur Ausbildung eines hydrostatischen Drucks Δp₂. Dieser Druck Δp₂ stellt einen Gegendruck zu dem hydrostatischen Druck Δp₁ der Inkubationsflüssigkeit 34 in der Inkubationskammer 14 und dem Verbindungskanal 20 dar. Sind die Drücke gleich, kommt es zu einem Gleichgewichtszustand, bei dem die Inkubationsflüssigkeit 34 nicht weiter in den Verbindungskanal 20 eindringen kann und in der Inkubationskammer 14 gehalten wird.
Anders ausgedrückt wird eine zweite Flüssigkeit, die Inkubationsflüssigkeit 34, in einen zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich, die Inkubationskammer 14, eingebracht und das Fluidikmodul wird gedreht, um Teile der Inkubationsflüssigkeit 34 aus der Inkubationskammer 14 in den Verbindungskanal 20 zu treiben, um dadurch zwischen der Schaltflüssigkeit 30 und der Inkubationsflüssigkeit 34 in dem Verbindungskanal 20 ein Gasvolumen einzuschließen und einen Gegendruck in dem Gasvolumen zu erzeugen, durch den die Inkubationsflüssigkeit 34 in der Inkubationskammer 34 und dem Verbindungskanal 20 gehalten wird.
In einem dritten Schritt, der als Auf-Schalten und Entleerung bezeichnet werden kann, wird zusätzliche Schaltflüssigkeit in die Schaltstruktur gegeben. Dies kann beispielsweise mittels eines Transfermoduls unter Rotation geschehen. Durch die Zugabe der zusätzlichen Schaltflüssigkeit erhöhen sich die Flüssigkeitsmenisken in der Schaltkammer 12 und dem Siphonkanal 18 parallel, da ein Druckgefälle zwischen den Flüssigkeitsmenisken in der Schaltkammer 12 und dem Siphonkanal 18 nicht stabil ist, bis der Scheitelpunkt des inversen Siphons im Siphonkanal 18 überschritten wird. Sobald dies der Fall ist, entleert sich die Schaltflüssigkeit 30 in die nachfolgende Mikrofluidik 16, wie in 2c dargestellt ist. Da kein Gegendruck mehr vorhanden ist, um die Inkubationsflüssigkeit 34 in der Inkubationskammer 14 zu halten, wird auch diese in die nachfolgende Mikrofluidik 16 transferiert. Der daraus resultierende Zustand ist in 2d gezeigt. Anders ausgedrückt wird zusätzliche Flüssigkeit in die Schaltkammer 12, die einen ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich darstellt, eingebracht, um den Flüssigkeitsmeniskus der Schaltflüssigkeit 30 über den Scheitel des Siphonkanals 18 zu bewegen, um dadurch die erste Flüssigkeit 30 aus der Schaltkammer 12 über den Siphonkanal 18 in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 zu entleeren, wodurch der Gegendruck in dem Gasvolumen abgebaut wird und die Inkubationsflüssigkeit 34 aus der Inkubationskammer 14 über den Verbindungskanal 20 und den Siphonkanal 18 in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 transferiert wird.
In den 2a bis 2d ist eine jeweilige Rotation durch einen Pfeil 32 dargestellt. Die Rotationsgeschwindigkeit kann dabei während des Verfahrens gleich bleiben.
Das Bezug nehmend auf die 2a bis 2d beschriebene Verfahren dient dazu, eine Inkubationsflüssigkeit 34 mittels einer Schaltflüssigkeit 30 in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 zu transferieren. Bezug nehmend auf die 3a bis 3d werden nachfolgend ein Fluidikmodul und ein Verfahren beschrieben, die geeignet sind, um mittels jeweiliger Schaltflüssigkeiten eine erste Inkubationsflüssigkeit in eine erste nachgeschaltete Fluidikstruktur und eine zweite Inkubationsflüssigkeit in eine zweite nachgeschaltete Fluidikstruktur zu transferieren.
Zunächst werden Bezug nehmend auf 3a die Fluidikstrukturen eines entsprechenden Fluidikmoduls 10' beschrieben, wobei Elemente, die denen in 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei bezüglich der Beschreibung derselben auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Die Fluidikstrukturen weisen zusätzlich zu der Schaltkammer 12, der Inkubationskammer 14, der nachgeschalteten Fluidikstruktur 16, dem Siphonkanal 18 und dem Verbindungskanal 20 einen weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich 42, eine weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur 46, einen weiteren Siphonkanal 48 und einen weiteren Verbindungskanal 50 auf. Der weitere Flüssigkeitsaufnahmebereich 42 ist wiederum durch eine Fluidkammer, die eine Schaltkammer darstellt, gebildet. Die Schaltkammer 42 weist einen Einlass 62 auf. Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen bezüglich der Schaltkammer 12, der nachgeschalteten Fluidikstruktur 16, dem Siphonkanal 18 und dem Verbindungskanal 20 für die weitere Schaltkammer 42, die nachgeschaltete Fluidikstruktur 46, den Siphonkanal 48 und den Verbindungskanal 50 entsprechend. Dies bedeutet, dass auch die weitere Schaltkammer 42 entlüftet ist, dass der weitere Verbindungskanal 50 ein erstes Ende, das mit der weiteren Schaltkammer fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt der Inkubationskammer mündet, aufweist, wobei das erste Ende des weiteren Verbindungskanals 50 radial weiter außen ist als das zweite Ende des weiteren Verbindungskanals 50, und dass ein Auslassende des weiteren Siphonkanals 48 radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende der weiteren Schaltkammer und als ein radial äußeres Ende der Inkubationskammer. Die Schaltkammer 12 und die weitere Schaltkammer 42 sind in azimutaler Richtung auf gegenüberliegenden Seiten der Inkubationskammer 14 angeordnet. Der zweite Verbindungkanal 50 kann in einen weiteren Auslass der Inkubationskammer 14 münden, wie in 3a gezeigt ist. Bei anderen Beispielen können die beiden Verbindungskanäle auch in einen gemeinsamen Auslass der Inkubationskammer münden, beispielsweise über eine T-Verbindung.
Das in 3a gezeigte Fluidikmodul 10' weist damit Fluidikstrukturen auf, bei denen die Schaltstruktur dupliziert ist, um ein Schalten von zwei Inkubationsflüssigkeiten in nachgeschaltete Fluidikstrukturen 16, 46 zu ermöglichen. Die weitere Schaltkammer 42, der Siphonkanal 48 und der Verbindungskanal 50 stellen dabei eine weitere Schaltstruktur dar.
Ausführungsbeispiele können somit mehrere Schaltstrukturen an derselben Inkubationskammer beinhalten, die jeweils mit einer eigenen nachfolgenden Mikrofluidik verbunden sind. Inkubationsflüssigkeiten können so nacheinander in verschiedene nachfolgende mikrofluidische Strukturen geschaltet werden. Dabei wird die Reihenfolge und Richtung der Inkubationsflüssigkeiten entsprechend des Betätigens der verschiedenen Schaltstrukturen entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren bestimmt.
3a zeigt einen Zustand nach einer Verfahrensphase, die dem in 2b gezeigten Zustand entspricht. Dabei wurde neben dem Einbringen einer ersten Schaltflüssigkeit 30 in die erste Schaltstruktur eine weitere Schaltflüssigkeit 70 in die weitere Schaltstruktur eingebracht. Die weitere Schaltflüssigkeit 70 kann beispielsweise über den Einlass 62 eingebracht worden sein. Das Einbringen der Schaltflüssigkeit 70 kann zusammen mit dem Einbringen der Schaltflüssigkeit 30 erfolgen oder davor oder danach. Im Übrigen gelten bezüglich des Erzeugens der in 3a gezeigten Anordnung der weiteren Schaltflüssigkeit 70 in der weiteren Schaltstruktur die obigen Erläuterungen bezüglich der Schaltflüssigkeit 30 in der ersten Schaltstruktur in gleicher Weise. Genauer gesagt wird vor, nach oder während des Drehens des Fluidikmoduls 10', um die weitere Schaltflüssigkeit 70 in die weitere Schaltkammer 42 einzubringen, das Fluidikmodul um das Drehzentrum R gedreht, um Teile der in die weitere Schaltkammer 42 eingebrachten weiteren Schaltflüssigkeit 70 (dritte Flüssigkeit) aus der Schaltkammer 42 in den weiteren Siphonkanal 48 und den weiteren Verbindungskanal 50 zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der weiteren Schaltflüssigkeit 70 in der weiteren Schaltkammer 42, dem weiteren Siphonkanal 48 und dem weiteren Verbindungskanal 50 zu bewirken, ohne dass die weitere Schaltflüssigkeit 70 über einen Scheitel des weiteren Siphonkanals 48 in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur 46 gelangt und ohne dass die weitere Schaltflüssigkeit 70 aus der weiteren Schaltkammer 42 über den weiteren Verbindungskanal 50 in die Inkubationskammer 14 gelangt.
Ferner wurde bei dem in 3a gezeigten Zustand bereits die Inkubationsflüssigkeit 34 unter Rotation in die Inkubationskammer 14 eingebracht, um Teile der Inkubationsflüssigkeit 34 aus der Inkubationskammer 14 in den Verbindungskanal 20 und den weiteren Verbindungskanal 50 zu treiben, um dadurch zwischen der Schaltflüssigkeit 30 und der Inkubationsflüssigkeit 34 und zwischen der weiteren Schaltflüssigkeit 70 und der Inkubationsflüssigkeit 34 jeweils ein Gasvolumen einzuschließen und einen Gegendruck in dem Gasvolumen zu erzeugen, durch den die Inkubationsflüssigkeit 34 in der Inkubationskammer und den Verbindungskanälen 20 und 50 gehalten wird. Das Einbringen der Inkubationsflüssigkeit 34 erfolgt dabei, nachdem die Schaltflüssigkeiten 30 und 70 in die Schaltstrukturen eingebracht wurden.
Ausgehend von dem in 3a gezeigten Zustand wird dann zunächst zusätzliche Schaltflüssigkeit in die erste Schaltkammer 12 eingebracht, so dass sich entsprechend der obigen Beschreibung der 2c und 2d die Schaltflüssigkeit 30 aus der Schaltkammer 12 und danach die Inkubationsflüssigkeit 34 aus der Inkubationskammer 14 in die erste nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 entleeren. Der sich ergebende Zustand ist in 3b gezeigt.
Ausgehend von diesem Zustand wird zunächst eine weitere Schaltflüssigkeit 74 (vierte Flüssigkeit) in die erste Schaltkammer 12 unter Rotation eingebracht, um Teile der weiteren Schaltflüssigkeit 74 aus der ersten Schaltkammer 12 in den Siphonkanal 18 und den Verbindungskanal 20 zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der vierten Flüssigkeit in der Schaltkammer 12, dem Siphonkanal 18 und dem Verbindungskanal 20 zu bewirken, ohne dass die weitere Schaltflüssigkeit 74 über den Scheitel des Siphonkanals 18 in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 gelangt und ohne dass die weitere Schaltflüssigkeit 74 aus der Schaltkammer 12 über den Verbindungskanal 20 in die Inkubationskammer 14 gelangt. Danach wird unter weiterer Rotation eine weitere Inkubationsflüssigkeit 76 (fünfte Flüssigkeit) in die Inkubationskammer 14 eingebracht, um Teile der weiteren Inkubationsflüssigkeit 76 aus der Inkubationskammer 14 in den Verbindungskanal 20 und den weiteren Verbindungskanal 50 zu treiben, um zwischen der Schaltflüssigkeit 70 und der Inkubationsflüssigkeit 76 in dem weiteren Verbindungskanal 50 ein Gasvolumen einzuschließen und zwischen der weiteren Schaltflüssigkeit 74 und der weiteren Inkubationsflüssigkeit 76 in dem Verbindungskanal 20 ein Gasvolumen einzuschließen. Durch diese Gasvolumen wird, wie oben beschrieben wurde, jeweils ein Gegendruck erzeugt, durch den sich unterschiedliche Menisken in den Schaltstrukturen einstellen.
Ausgehend von dem in 3c gezeigten Zustand wird dann zusätzliche Schaltflüssigkeit in die weitere Schaltkammer 42 eingebracht, um zu bewirken, dass der Meniskus der Schaltflüssigkeit 70 in der weiteren Schaltstruktur den Scheitel des Siphonkanals 48 überschreitet und sich die Schaltkammer 42 in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur 46 entleert. Dadurch wird der Gegendruck zwischen der Schaltflüssigkeit 70 und der Inkubationsflüssigkeit 76 abgebaut und auch die Inkubationsflüssigkeit 76 entleert sich über den Siphonkanal 48 in die weitere Fluidikstruktur 46. Dadurch wird der in 3d gezeigte Zustand erreicht.
Somit werden bei dem Bezug nehmend auf die 3a bis 3d beschriebenen Verfahren zunächst eine erste Inkubationsflüssigkeit 34 in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 16 geschaltet und dann eine weitere Inkubationsflüssigkeit76 in die nachgeschaltete Fluidikstruktur 46 geschaltet.
Die unterschiedlichen Flüssigkeiten sind hierein, beispielsweise in den angehängten Ansprüchen nummeriert, wobei die Nummerierung lediglich zur Unterscheidung der Flüssigkeiten dient und nicht zwangsweise irgendeine Reihenfolge festlegt. Dabei stellen die erste Flüssigkeit, die dritte Flüssigkeit und die vierte Flüssigkeit jeweils Schaltflüssigkeiten dar, während die zweite Flüssigkeit und die fünfte Flüssigkeit Inkubationsflüssigkeiten darstellen. Die Schaltflüssigkeiten können jeweils gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten sein. Die Inkubationsflüssigkeiten können ebenfalls gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten sein. Die Schaltflüssigkeiten und die Inkubationsflüssigkeiten können auch gleich sein.
Beispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit Fluidikmodulen wie sie hierin beschrieben sind und einer Antriebsvorrichtung, beispielsweise einer Rotationseinheit, die ausgebildet ist, um das Fluidikmodul zum Durchführen der Verfahren wie sie hierin beschrieben sind, zu drehen bzw. um die hierein beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen. Die Fluidhandhabungsvorrichtung kann ferner ein Transfermodul aufweisen, das ausgelegt ist, um die jeweiligen Flüssigkeiten in die jeweiligen Fluidaufnahmebereiche einzubringen, beispielsweise die erste Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, die zusätzliche Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich, die zweite Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich, die dritte Flüssigkeit in den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich, die vierte Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich und/oder die fünfte Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich.
Bezug nehmend auf die 4a und 4b werden nun Beispiele von Fluidhandhabungsvorrichtungen in Form von zentrifugal-mikrofluidischen Systemen gemäß Beispielen der Erfindung beschrieben, die ein Fluidikmodul, wie es hierin beschrieben ist, verwenden bzw. aufweisen. Mit anderen Worten kann das Fluidikmodul bei den Systemen in den 4a und 4b ein beliebiges der hierein beschrieben Fluidikmodule sein.
4a zeigt eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit einem Fluidikmodul in Form eines Rotationskörpers 110, der ein Substrat 112 und einen Deckel 114 aufweist. Das Substrat 112 und der Deckel 114 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 110 über eine übliche Befestigungseinrichtung 116 an einem rotierenden Teil 118 einer Antriebsvorrichtung 120 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 118 ist drehbar an einem stationären Teil 122 der Antriebsvorrichtung 120 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 120 kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge, die eine einstellbare Drehgeschwindigkeit aufweisen kann, oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 124 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 120 zu steuern, um den Rotationskörper 110 mit einer Rotation oder mit Rotationen unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 124 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 124 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 120 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 124 konfiguriert sein, um die Antriebsvorrichtung 120 zu steuern, um den Rotationskörper mit der erforderlichen Rotation zu beaufschlagen, um Beispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 120 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden. Die Fluidhandhabungsvorrichtung weist ferner ein Transfermodul 140 auf, das ausgelegt ist, um jeweilige Flüssigkeiten in die Flüssigkeitsaufnahmebereiche einzubringen. Die Steuereinrichtung 124 kann ausgebildet sein, um die Drehung des Fluidikmoduls und eine Betätigung des Transfermoduls 140 zu synchronisieren, um Flüssigkeit in die jeweiligen Einlässe der Flüssigkeitsaufnahmebereiche einzubringen um die hierin beschriebenen Verfahren zu implementieren. Die Einlässe können ausgebildet sein, um ein solches Einbringen zu unterstützen und können beispielsweise als ringförmige Strukturen in dem Fluidikmodul gebildet sein.
Der Rotationskörper 110 weist die Fluidikstrukturen auf, die die Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben sind, bilden. Die Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 114, dem Substrat 112 oder in dem Substrat 112 und dem Deckel 114 gebildet sein. Bei Beispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 112 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 114 gebildet sind. Bei Beispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet.
Bei einem alternativen in 4b gezeigten Beispiel sind Fluidikmodule 132 in einen Rotor 130 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 130 den Rotationskörper 110. Die Fluidikmodule 132 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 130 und die Fluidikmodule 132 gebildete Rotationskörper 110 ist wiederum durch die Antriebsvorrichtung 120, die durch die Steuereinrichtung 124 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
In den 4a und 4b ist das Rotationszentrum, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, wiederum mit R bezeichnet.
Die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ermöglichen es, auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik mehrere Anforderungen an das Halten und spätere gezielte Schalten einer Flüssigkeit gleichzeitig zu erfüllen. So existiert die Möglichkeit zur Initiierung des Schaltprozesses durch eine Flüssigkeitszugabe und der damit verbundenen Überwindung eines Siphonkanals. Ferner bietet sich die Möglichkeit einer sequentiellen Wiederholung des Haltens und Schaltens. Ausführungsbeispiele ermöglichen ferner ein robustes Halten und Schalten von Flüssigkeiten, das weitgehend unabhängig ist von Frequenz und Beschleunigung der Rotation, von der Zeit, von Flüssigkeitseigenschaften, von Flüssigkeitsvolumina der zu schaltenden Flüssigkeit, von der Temperatur bzw. der Thermopneumatik und von der Luftfeuchtigkeit.
Bei Ausführungsbeispielen spielen im Wesentlichen nur die hydrostatischen Höhen eine Rolle über das Halten und Schalten der Inkubationsflüssigkeit, so dass mit sehr kleinen Mengen an Schaltflüssigkeit, da die Schaltstruktur sehr flach und schmal implementiert werden kann, sehr große Mengen an Inkubationsflüssigkeit gehalten werden können, beispielsweise über eine sehr breite und tiefe Inkubationskammer. Bei Bedarf könnte zudem als Schaltflüssigkeit ein Medium mit einer signifikant höheren Dichte im Vergleich zur Inkubationsflüssigkeit genutzt werden, mit dem Ziel, einen höheren hydrostatischen Gegendruck zu erzeugen, da der Gegendruck im Wesentlichen durch zwei Faktoren bestimmt wird, nämlich die Dichte und den hydrostatische Höhen im Siphonkanal und im Verbindungskanal.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele somit ein Verfahren zum Halten und Transferieren von Flüssigkeit, bei dem ein Fluidikmodul um ein Drehzentrum gedreht wird, um Teile einer ersten Flüssigkeit aus einem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich in einen Siphonkanal und einen Verbindungskanal zu treiben, ohne dass die erste Flüssigkeit über einen Scheitel des Siphonkanals in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur gelangt und ohne dass die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich über den Verbindungskanal in einen zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich gelangt. Teile einer zweiten Flüssigkeit werden aus einem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich in den Verbindungskanal getrieben, um zwischen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit in dem Verbindungskanal ein Gasvolumen einzuschließen und die zweite Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich und dem Verbindungskanal zu halten. Durch Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich kann dann die erste Flüssigkeit in eine nachgeschaltete Fluidikstruktur entleert werden, wodurch der Gegendruck in dem Gasvolumen abgebaut wird und die zweite Flüssigkeit über den Verbindungskanal und den Siphonkanal in die nachgeschaltete Fluidikstruktur transferiert wird.
Erfindungsgemäß wird somit ein Flüssigkeitsvolumen in einer Inkubationskammer durch einen hydrostatischen Gegendruck einer in einer Schaltstruktur befindlichen Schaltflüssigkeit gehalten. Da die radialen Positionen für den hydrostatischen Druck zum Quadrat eingehen, können radial weiter außenliegende Schaltstrukturen mit geringeren hydrostatischen Höhenunterschieden größere Höhenunterschiede in einer Inkubationskammer halten. Dabei ermöglicht der Lufteinschluss die Stabilisierung beider Füllstände und somit den Druckausgleich. Das Schalten erfolgt durch Flüssigkeitszugabe, um den inversen Scheitelpunkt des Siphons im Siphonkanal zu überschreiten und ein Abfließen der Schaltflüssigkeit zu initiieren.
Anders ausgedrückt schaffen Beispiele der vorliegenden Erfindung eine Fluidhandhabungsvorrichtung zum Betrieb in einem zentrifugalmikrofluidischen Gerät und/oder einer Zentrifuge mit folgenden Merkmalen: einer entlüfteten Inkubationskammer, die ausgebildet ist, Inkubationsflüssigkeit aufzunehmen; einer entlüfteten Schaltstruktur bestehend aus einer Schaltkammer und dem verbundenen Siphonkanal und Verbindungskanal, die ausgebildet ist, Schaltflüssigkeit aufzunehmen; wobei der Verbindungskanal mit der Inkubationskammer an einer radial auswärts befindlichen Stelle der Inkubationskammer verbunden ist; wobei der Siphonkanal einen inversen Siphon enthält und mit einer beliebigen stromabwärts befindlichen mikrofluidischen Struktur verbunden ist; wobei die Schaltstruktur teilweise mit Schaltflüssigkeit gefüllt ist; wobei die Inkubationsstruktur teilweise oder ganz mit Inkubationsflüssigkeit gefüllt ist; wobei im Verbindungskanal ein Lufteinschluss zwischen Inkubationsflüssigkeit und Schaltflüssigkeit ausgeprägt ist; wobei sich in der Schaltstruktur ein hydrostatischer Gegendruck ausprägt, mit dem die Inkubationsflüssigkeit in der Inkubationskammer gehalten wird, und wobei eine Zugabe von zusätzlicher Schaltflüssigkeit zum Transfer der Schaltflüssigkeit und der Inkubationsflüssigkeit in eine beliebige stromabwärts befindliche mikrofluidische Struktur führt.
Obwohl Merkmale der Erfindung jeweils anhand von Vorrichtungsmerkmalen oder Verfahrensmerkmalen beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, dass entsprechende Merkmale jeweils auch Bestandteil eines Verfahrens oder einer Vorrichtung sein können. So kann jeweils die Vorrichtung konfiguriert sein, um entsprechende Verfahrensschritte durchzuführen, und die jeweilige Funktionalität der Vorrichtung kann entsprechende Verfahrensschritte darstellen
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zwecke der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.

Claims

Verfahren zum Halten und Transferieren von Flüssigkeit unter Verwendung eines Fluidikmoduls (10, 10', 110, 132), das einen ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), einen zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14), eine nachgeschaltete Fluidikstruktur (16), einen Siphonkanal (18) mit einem Scheitel und einen Verbindungskanal (20) aufweist, wobei ein bezüglich eines Drehzentrums (R) radial äußerer Abschnitt des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (12) über den Siphonkanal (18) mit der nachgeschalteten Fluidikstruktur (16) verbunden ist und der radial äußere Abschnitt des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (12) über den Verbindungskanal (20) mit einem Auslass des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) fluidisch verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: a) Drehen des Fluidikmoduls (10, 10', 110, 132) um das Drehzentrum (R), um Teile einer in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) eingebrachten ersten Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) in den Siphonkanal (18) und den Verbindungskanal (20) zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der ersten Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), dem Siphonkanal (18) und dem Verbindungskanal (20) zu bewirken, ohne dass die erste Flüssigkeit über einen Scheitel des Siphonkanals (18) in die nachgeschaltete Fluidikstruktur (16) gelangt und ohne dass die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) über den Verbindungskanal (20) in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) gelangt, b) Einbringen einer zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) und Drehen der Fluidikmoduls (10, 10', 110, 132), um Teile der zweiten Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) in den Verbindungskanal (20) zu treiben, um dadurch zwischen der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit in dem Verbindungskanal (20) ein Gasvolumen einzuschließen und einen Gegendruck in dem Gasvolumen zu erzeugen, durch den die zweite Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) und dem Verbindungskanal (20) gehalten wird, und c) Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), um den Flüssigkeitsmeniskus der ersten Flüssigkeit über den Scheitel des Siphonkanals (18) zu bewegen, um dadurch die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) über den Siphonkanal (18) in die nachgeschaltete Fluidikstruktur (16) zu entleeren, wodurch der Gegendruck in dem Gasvolumen abgebaut wird und die zweite Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) über den Verbindungskanal (20) und den Siphonkanal (18) in die nachgeschaltete Fluidikstruktur (16) transferiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Einbringen der ersten Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), das Einbringen der zusätzlichen Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) und/oder das Einbringen der zweiten Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) manuell oder unter Verwendung eines Transfermoduls erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Fluidikmodul (10', 110, 132) einen weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42), eine weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur (46), einen weiteren Siphonkanal (48) und einen weiteren Verbindungskanal (50) aufweist, wobei ein bezüglich des Drehzentrums (R) radial äußerer Abschnitt des weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereichs (42) über den weiteren Siphonkanal (48) mit der weiteren nachgeschalteten Fluidikstruktur (46) verbunden ist und der radial äußere Abschnitt des weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereichs (42) über den weiteren Verbindungskanal (50) mit dem ersten Auslass oder einem weiteren Auslass des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) fluidisch verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist: nach oder während a), Drehen des Fluidikmoduls (10', 110, 132) um das Drehzentrum (R), um Teile der einer in den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) eingebrachten dritten Flüssigkeit aus dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) in den weiteren Siphonkanal (48) und den weiteren Verbindungskanal (50) zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der dritten Flüssigkeit in dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42), dem weiteren Siphonkanal (48) und dem weiteren Verbindungskanal (50) zu bewirken, ohne dass die dritte Flüssigkeit über einen Scheitel des weiteren Siphonkanals (48) in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur (46) gelangt und ohne dass die dritte Flüssigkeit aus dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) über den weiteren Verbindungskanal (50) in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) gelangt, nach c), Einbringen einer vierten Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) und Drehen des Fluidikmoduls (10', 110, 132), um Teile der vierten Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) in den Siphonkanal (18) und den Verbindungskanal (20) zu treiben, um Flüssigkeitsmenisken der vierten Flüssigkeit in dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), dem Siphonkanal (18) und dem Verbindungskanal (20) zu bewirken, ohne dass die vierte Flüssigkeit über einen Scheitel des Siphonkanals (18) in die nachgeschaltete Fluidikstruktur (16) gelangt und ohne dass die vierte Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) über den Verbindungskanal (20) in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) gelangt, Einbringen einer fünften Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) und Drehen der Fluidikmoduls (10', 110, 132), um Teile der fünften Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) in den Verbindungskanal (20) und den weiteren Verbindungskanal (50) zu treiben, um dadurch zwischen der dritten Flüssigkeit und der fünften Flüssigkeit in dem weiteren Verbindungskanal (50) und zwischen der vierten Flüssigkeit und der fünften Flüssigkeit in dem Verbindungskanal (20) ein Gasvolumen einzuschließen und einen weiteren Gegendruck zu erzeugen, durch den die fünfte Flüssigkeit in dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) und dem weiteren Verbindungskanal (50) gehalten wird, und Einbringen zusätzlicher Flüssigkeit in den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42), um den Flüssigkeitsmeniskus der dritten Flüssigkeit über den Scheitel des weiteren Siphonkanals (48) zu bewegen, um dadurch die dritte Flüssigkeit aus dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) über den weiteren Siphonkanal (48) in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur (46) zu entleeren, wodurch der weitere Gegendruck abgebaut wird und die fünfte Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) über den weiteren Verbindungskanal (50) und den weiteren Siphonkanal (48) in die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur (46) transferiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Transferieren der zweiten Flüssigkeit in die nachgeschaltete Fluidikstruktur (16) bewirkt, dass die zweite Flüssigkeit mit einem Reagenz in Berührung gebracht wird.
Fluidikmodul (10, 10', 110, 132) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14), den Siphonkanal (18) und den Verbindungskanal (20) aufweist, wobei der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) entlüftet ist, der zweite Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) entlüftet ist, der Verbindungskanal (20) ein erstes Ende, das mit dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) mündet, aufweist, wobei das erste Ende des Verbindungkanals radial weiter außen ist als das zweite Ende des Verbindungskanals (20), und ein Auslassende des Siphonkanals (18) radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (12) und als ein radial äu-ßeres Ende des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14).
Fluidikmodul (10', 110, 132) zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 3, das den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12), den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14), den Siphonkanal (18), den Verbindungskanal (20), den weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42), die weitere nachgeschaltete Fluidikstruktur (46), den weiteren Siphonkanal (48) und den weiteren Verbindungskanal (50) aufweist, wobei der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) entlüftet ist, der zweite Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) entlüftet ist, der weitere Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) entlüftet ist, der Verbindungskanal (20) ein erstes Ende, das mit dem ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) mündet, aufweist, wobei das erste Ende des Verbindungkanals radial weiter außen ist als das zweite Ende des Verbindungskanals (20), ein Auslassende des Siphonkanals (18) radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (12) und als ein radial äu-ßeres Ende des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14), der weitere Verbindungskanal (50) ein erstes Ende, das mit dem weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das in einen radial äußeren Abschnitt des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) mündet, aufweist, wobei das erste Ende des weiteren Verbindungkanals radial weiter außen ist als das zweite Ende des weiteren Verbindungskanals (50), ein Auslassende des weiteren Siphonkanals (48) radial weiter außen angeordnet ist als ein radial äußeres Ende des weiteren Flüssigkeitsaufnahmebereichs (42) und als ein radial äußeres Ende des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14).
Fluidikmodul (10', 110, 132) nach Anspruch 6, bei dem, in azimutaler Richtung, der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) auf einer Seite des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) und der weitere Flüssigkeitsaufnahmebereich (42) auf einer gegenüberliegenden Seite des zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (14) angeordnet ist.
Fluidikmodul (10, 10', 110, 132) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Verbindungskanal (20) einen Kanalabschnitt aufweist, der sich radial einwärts erstreckt und in azimutaler Richtung auf einer Seite des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) angeordnet ist, und der Siphonkanal (18) einen Kanalabschnitt aufweist, der sich radial einwärts erstreckt und in azimutaler Richtung auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten Flüssigkeitsaufnahmebereichs (12) angeordnet ist.
Fluidikmodul (10, 10', 110, 132) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der erste Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) eine Fluidkammer ist, wobei der Verbindungskanal (20) und der Siphonkanal (18) auf gegenüberliegenden azimutalen Seiten in die Fluidkammer münden.
Fluidhandhabungsvorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem Fluidikmodul (10, 10', 110, 132) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, und einer Antriebsvorrichtung (120), die ausgebildet ist, um das Fluidikmodul (10, 10', 110, 132) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zu drehen.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 10, die ferner zumindest ein Transfermodul (140) aufweist, das ausgelegt ist, um die erste Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) einzubringen, die zusätzliche Flüssigkeit in den ersten Flüssigkeitsaufnahmebereich (12) einzubringen und/oder die zweite Flüssigkeit in den zweiten Flüssigkeitsaufnahmebereich (14) einzubringen.