DE10203211A1

DE10203211A1 - Mikrofluidikprobenmodul mit Mitteln zur Temperaturbeeinflussung

Info

Publication number: DE10203211A1
Application number: DE2002103211
Authority: DE
Inventors: Gerald Eckstein; Manfred Wossler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2003-08-14

Abstract

Ein Mikrofluidikprobenmodul weist Mittel zum Heizen und/oder Kühlen auf.

Description

Bei Probenmodulen für chemische und/oder biotechnologische Sensorik kann die Detektion der Prozessparameter über Siliziumchiptechnologie, über optische Verfahren sowie über chemische oder elektrochemische Methoden erfolgen. Das Anwendungsfeld erstreckt sich auf Applikationen im Bereich der Medizindiagnostik, der Lebensmittel-, der Pharma-, der Agro- und der Umweltanalytik, der Mikrosynthese und auch der allgemeinen Forschung.
Mikrosensoren sind für viele Anwendungen das entscheidende Bindeglied zwischen der Umwelt und einer rechnergesteuerten Auswertung und stellen daher ein hohes Entwicklungspotential für zukünftige Anwendungen in der Mikroelektronik dar. Neben den bereits etablierten physikalischen Sensoren, wie z. B. Druck-, Beschleunigungs- oder Festkörperelektrolytsensoren zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks, die bereits Marktreife erlangt haben, befinden sich Konzepte für chemische und biotechnologische Sensoren noch überwiegend im Labormuster-Stadium. Dies ist insbesondere auf die Schnittstelle Mikrofluidik/Mikroelektronik zurückzuführen, die nicht ohne weiteres kompatibel ist, da in der klassischen Mikroelektronik alle Komponenten hermetisch gegenüber der Umwelt abgeschlossen sein müssen, um einen Kontakt mit anderen stofflichen Systemen ausschließen zu können. Infolge dessen muss für diesen Sensortyp eine aufwändige Gehäusetechnik entworfen werden.
Aus der EP 0 668 500 A2 sind chemische Mikrosensoren bekannt, die durch ionensensitive Feldeffekttransistoren gebildet sind. Diese chemischen Mikrosensoren werden in einem chemischen Mikro-Analysator zur Multiionendetektion in Fluidmedien eingesetzt, wobei zur Bewältigung des Fluidhandlings ausschließlich Mikrofluidmanipulatoren verwendet werden. Diese Mikrofluidmanipulatoren bestehen hierbei aus jeweils über eine geschlossene Tröpfchenkammer mit einer Mikrofluiddiode verbundenen Mikrotropfenemittern. Den einzelnen chemischen Mikrosensoren sind vorzugsweise zwei mit Kalibrier- oder Messlösungen verbundene Mikro- Fluidmanipulatoren als Injektor vorgeschaltet. Die Herstellung der Systemkomponenten und deren Montage zu einem gesamten System mittels mikrotechnischer Verfahren und mikrosystemtechnischer Aufbau- und Verbindungstechnik erfolgt bei diesem bekannten chemischen Mikro-Analysator auf der Basis der Silizium-Glas-Technologie.
In der WO 00/55618 A1 ist ein sog. Manifold beschrieben, welches im fluidischen Mikrosystem die Systembasis bildet, mit dem fluidische Komponenten miteinander zum Mikrosystem vernetzt werden. Das Manifold hat dabei die Aufgabe, einzelne Komponenten mechanisch definiert zu halten, sie untereinander fluidisch zu verbinden und bei Bedarf elektrisch zu verkoppeln. Derartige Mikrosysteme entstehen durch die Kombination von Sensoren, Aktoren und elektronischen Bauelementen auf dem Manifold, wobei gleichzeitig Einrichtungen zum Zu- und Ableiten von Fluiden integriert sind. Das beschriebene Manifold ist insbesondere für biologische oder gentechnische Untersuchungen geeignet. Üblicherweise besteht ein derartiges Manifold aus einem Verbund unterschiedlicher Materialien, z. B. einem Silizium- Glas-Verbund, wobei die Fluidkanäle im Manifold, ggf. chemische Mikrosensoren und andere Funktionseinheiten, vor dem Zusammenfügen des Glas-Silizium-Verbundes im Silizium strukturiert werden.
In der EP 0 844 478 A1 sind mehrere Typen von Mikropumpen und Mikroventilen beschrieben, die für den Einsatz in Vorrichtungen zur automatischen und kontinuierlichen Analyse von Flüssigkeitsproben geeignet sind. Die Analyse der Flüssigkeitsproben erfolgt dabei durch Mischen mit verschiedenen Reagenzien mit Hilfe einer Anordnung von Mikropumpen, Mischkammern, Reaktoren und Sensoren. Die Mikropumpen, Mischkammern, Reaktionskanäle und Verbindungskanäle sind in einem gemeinsamen Siliziumwafer angeordnet, der durch anisotropes Ätzen entsprechend strukturiert wurde.
Aus der US-5 644 395 A ist ein chemischer Mikro-Analysator bekannt, bei welchem geringe Mengen von Reagenzien und Proben in einem Kapillarsystem vermischt werden und die Reaktionsprodukte optisch, elektrochemisch oder auf andere Weise detektiert werden. Zur Herstellung des Mikroanalysators werden in einem Silizium-Wafer oder in einem Glas-Wafer Mikrokanäle geätzt, die dann durch Verbindung mit einem zweiten Wafer abgedeckt werden. Neben den in eine Proben- Sektion, eine Misch-Sektion, eine Reaktionssektion und eine Absorptions-Sektion gegliederten Mikrokanälen umfasst der Wafer-Verbund eine Vielzahl von mit den Mikrokanälen operativ verbundenen Mikroventilen, Einlassöffnungen für die Probe und für Reagenzien, eine Auslassöffnung für den Abfall und einen im Bereich der Absorptions-Sektion angeordneten Detektor.
Die beispielsweise auf dem Gebiet der DNS-Analytik entwickelten Gehäuselösungen für die Schnittstelle Mikrofluidik/Mikroelektronik weisen in der aufwändigen Probenvorbereitung und Probenaufbereitung einen entscheidenden Schwachpunkt auf, wodurch ein Einsatz in störsicheren low-cost Geräten für Selbsttest, für den niedergelassenen Arzt und für den Point-of-Care-Bereich nur bedingt und unter hohen Kosten für die Anschaffung eines Geräteparks für die Probenvorbereitung und die Probenaufbereitung möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrofluidikprobenmodul für chemische und/oder biotechnologische Sensorik zu schaffen, das eine verbesserte Analytik gerade auch für den Einsatz außerhalb von Laboren gewährleistet. Weiterhin sollen die durch aufwändige Probenvorreinigungsgeräte und/oder Probenaufreinigungsgeräte bedingten hohen Kosten deutlich reduziert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Mikrofluidikprobenmodul für chemische und/oder biotechnologische Sensorik durch Temperaturbeeinflussung die Genauigkeit der Analyse der Probe verbessert, ja bestimmte Analysen sogar überhaupt erst möglich gemacht werden.
Das Mikrofluidikprobenmodul weist zur Analyse einer Probe eine Messkammer und einen Messsensor auf. Die zu analysierende Probe ist ein Fluid, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit. Insbesondere ist an Anwendungen mit DNS-haltigen Flüssigkeiten oder an andere biotechnologische Anwendungen gedacht. Der Messsensor kann ein optisch, optochemisch, elektrisch und/oder elektrochemisch arbeitender Sensor sein. Er ist insbesondere als Sensorfeld und/oder Biosensor ausgebildet.
Das Mikrofluidikprobenmodul weist Mittel zur Temperaturbeeinflussung auf, mit denen die Temperatur im Probenmodul oder in Teilen des Probenmoduls beeinflusst, insbesondere eingestellt und/oder verändert, werden kann. Die Mittel zur Temperaturbeeinflussung sind Mittel zur Temperaturerhöhung und/oder Mittel zur Temperaturerniedrigung, also Mittel, die eine Temperaturänderung im Mikrofluidikprobenmodul herbeiführen können. Insbesondere sind die Mittel zur Temperaturbeeinflussung eine Heizung und/oder eine Kühlung.
Ein wesentlicher Anwendungsbereich für solche Mittel zur Temperaturbeeinflussung liegt darin, die Temperatur der Probe zu beeinflussen. Dementsprechend sind die Mittel zur Temperaturbeeinflussung so eingerichtet, dass sie zur Temperaturbeeinflussung von zumindest Teilen der Probe zumindest teilweise auf die Probe wirken.
Ein anderes wesentliches Einsatzgebiet der Mittel zur Temperaturbeeinflussung liegt darin, die Temperatur des Messsensors zu beeinflussen. Es hat sich in Versuchen herausgestellt, dass bei zahlreichen Messsensoren, insbesondere solchen, die in der Biotechnologie und für die DNS-Analyse eingesetzt werden, infolge chemischer Reaktionen der Messsensor aufgeheizt wird, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses führt oder die Messung sogar unmöglich macht. Entsprechend sind die Mittel zur Temperaturbeeinflussung so eingerichtet, dass sie zur Temperaturbeeinflussung des Messsensors auf den Messsensor wirken. Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Temperaturbeeinflussung hierbei Mittel zur Temperaturerniedrigung in Form einer Kühlung.
Die Mittel zur Temperaturbeeinflussung sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie auf die Messkammer und/oder eine der Messkammer vorgeschaltete Probenaufbereitungskammer wirken. Die der Messkammer vorgeschaltete Probenaufbereitungskammer dient beispielsweise dazu, der Probe bestimmte Reagenzien zur Aufbereitung zuzusetzen und/oder auch dazu, die Probe einer Vorbehandlung durch Erhitzen und/oder Abkühlen zu unterziehen, indem mit den Mitteln zur Temperaturbeeinflussung die Temperatur entsprechend eingestellt wird. Die Probenkammer ist durch einen Fluidkanal mit der Messkammer verbunden, um die Probe nach erfolgter Aufbereitung zur Messkammer weiterzuleiten.
Alternativ oder ergänzend können die Mittel zur Temperaturbeeinflussung aber auch so angeordnet sein, dass sie auf einen in dem Mikrofluidikprobenmodul angeordneten Kanal wirken. Im Allgemeinen können die Mittel zur Temperaturbeeinflussung also auf Kammern, Kanäle und Kavitäten jeder Art und Größe wirken.
Für eine besonders effektive Temperaturbeeinflussung, insbesondere für eine weiter unten erläuterte Denaturierung der Probe, kann das Mikrofluidikprobenmodul sogar eine Kavität mit einer speziellen, beispielsweise mäandrierenden Struktur in Form von dichtgepackten Heizschlangen aufweisen.
Für eine erfolgreiche kommerzielle Markteinführung von Mikrofluidikprobenmodulen, insbesondere von solchen mit Biosensoren für die DNS- oder Proteindetektion, sind Nachweisgrenzen und Detektionszeit von entscheidender Bedeutung. Nach der PCR (Polymerase Chain Reaction), einer Methode zur in-vitro-Vermehrung eines definierten DNS- Fragments, wird die doppelsträngige DNS durch Temperzyklen in ihre Einzelstränge getrennt. Nach der PCR können jedoch Einzelstränge wieder zu Doppelsträngen rekombinieren, wodurch weniger einsträngige DNS-Moleküle zur Detektion vorliegen. Um die Konzentration von einsträngigen DNS-Molekülen wieder zu erhöhen, hat sich ein erneuter Denaturierungsschritt unmittelbar vor dem Nachweisexperiment, also im Mikrofluidikprobenmodul, als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dadurch lässt sich die Nachweisempfindlichkeit beträchtlich erhöhen und die Hybridisierungszeit von DNS-Molekülen mit den auf dem funktionalisierten Messsensor gebundenen Fänger-DNS-Molekülen steigt ebenfalls beträchtlich an.
Dazu wird eine Regelung für das Mikrofluidikprobenmodul vorgesehen, die die Temperaturbeeinflussung im Mikrofluidikprobenmodul und/oder den Fluss der Probe im Mikrofluidikprobenmodul so regelt, dass die Probe zumindest teilweise denaturiert wird. Für die Denaturierung wird die Probe für einen bestimmten Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Die Regelung kann dazu die Mittel zur Temperaturbeeinflussung entsprechend regeln, aber auch den Fluss der Probe im Probenmodul, also deren Verweilen im temperaturändernden Wirkungsbereich der Mittel zur Temperaturbeeinflussung.
Zur Denaturierung wird die Probe für einen bestimmten Zeitraum auf 85°C bis 99°C erhitzt, insbesondere auf 90°C bis 96°C. Der bestimmte Zeitraum beträgt etwa 5 Sekunden bis zu etwa 10 Minuten.
Die Denaturierung kann in der Messkammer erfolgen. Als vorteilhaft hat es sich aber herausgestellt, die Denaturierung in der der Messkammer vorgeschalteten Probenaufbereitungskammer durchzuführen, die dazu als Denaturierungskammer ausgebildet ist.
Für eine verbesserte Wärmeisolation können die Wandungen der Kammer, auf die die Mittel zur Temperaturbeeinflussung wirken, metallisiert sein. Dies kann beispielsweise durch ein Aufbringen von Aluminium und/oder Gold auf die Wandungen geschehen. Dadurch wird zum einen die Reflexion der Wärmestrahlung erhöht, zum anderen wird eine die Wärmeleitung vermindernde Dünnschicht ausgebildet.
Die Regelung der Mittel zur Temperaturbeeinflussung kann über entsprechende elektronische Schaltkreise erfolgen, an die beispielsweise noch Temperatursensoren zur Messung der Temperatur angeschlossen sein können. In bestimmten Anwendungsbereichen werden Mikrofluidikprobenmodule aber auch nur für einen einmaligen Einsatz konzipiert, nach dem sie der Weiterverwertung zuzuführen sind. Gerade für solche nur einmal zu verwendenden Mikrofluidikprobenmodule kann unter Umständen auf eine aufwändige aktive Temperaturregelung verzichtet werden, wenn das Mikrofluidikprobenmodul einen Energiespeicher aufweist, der den Mitteln zur Temperaturbeeinflussung in etwa oder genau die zur Temperaturbeeinflussung benötigte Energie zur Verfügung stellt. So lässt sich etwa aus der Menge der zu analysierenden Probe und deren Wärmekapazität die für eine Denaturierung unter Raumtemperaturen benötigte Energiemenge berechnen. Der Energiespeicher, der etwa in Form einer Batterie vorliegen kann, enthält dann genau diese Energiemenge.
Als Mittel zur Temperaturbeeinflussung sind alle möglichen bekannten Formen von Heizung und/oder Kühlung denkbar. Wegen der geringen Größe eines Mikrofluidikprobenmoduls und der bei der normalerweise sehr kleinen Probenmenge zu fordernden guten Regelbarkeit hat es sich aber als vorteilhaft herausgestellt, dass die Mittel zur Temperaturbeeinflussung zumindest ein Peltierelement enthalten.
Bei einem Verfahren zur Analyse einer Probe in einem Mikrofluidikprobenmodul mit einer Messkammer und einem Messsensor wird die Temperatur zumindest in Teilen des Mikrofluidikprobenmoduls über am und/oder im Mikrofluidikprobenmodul angeordnete Mittel zur Temperaturbeeinflussung eingestellt.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den geschilderten vorteilhaften Ausbildungen des Mikrofluidikprobenmoduls.
Weitere wesentliche Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Mikrofluidikprobenmodul mit Mitteln zur Temperaturbeeinflussung.
In Fig. 1 erkennt man ein Mikrofluidikprobenmodul 1. Das Mikrofluidikprobenmodul verfügt über eine geregelte Fluidzufuhr 2 und eine geregelte Fluidabfuhr 3. Im Gehäuse des Mikrofluidikprobenmoduls 1 sind eine Probenaufbereitungskammer 4, eine Messkammer 5 und eine Abfallkammer 6 zu erkennen. Probenaufbereitungskammer 4 und Messkammer 5 sind über einen ersten Fluidkanal 7 miteinander verbunden. Die Messkammer 5 und die Abfallkammer 6 sind über einen zweiten Fluidkanal 8 miteinander verbunden.
Das Mikrofluidikprobenmodul 1 weist Mittel zur Temperaturbeeinflussung auf.
Dies sind zum einen Mittel zur Temperaturerhöhung, die auf die Probenaufbereitungskammer 4 wirken und eine extern regelbare Heizvorrichtung 9, eine erste thermische Durchkontaktierung 10 sowie eine in der Probenaufbereitungskammer angeordnete Heizfläche 11 enthalten. An der Heizfläche 11 ist eine Dichtung 12 angeordnet, die die Probenaufbereitungskammer 4 abdichtet.
Es sind zum anderen Mittel zur Temperaturerniedrigung in der Messkammer 5, die eine Kühlvorrichtung 13 und eine zweite thermische Durchkontaktierung 14 enthalten. Über die zweite thermische Durchkontaktierung 14 ist die Kühlvorrichtung 13 mit einem Messsensor 15 thermisch verbunden. Am Messsensor 15 ist eine Dichtung 16 angeordnet, die die Messkammer 5 abdichtet.
Zwischen der ersten thermischen Durchkontaktierung 10 und der zweiten thermischen Durchkontaktierung 14, die beide aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Kupfer bestehen, ist ein wärmeisolierendes Material 17 angeordnet. Für einen guten thermischen Kontakt ist die Heizfläche 11 an der ersten thermischen Durchkontaktierung 10 sowie der Messsensor 15 an der zweiten thermischen Durchkontaktierung 14 mittels Temperaturleitkleber fixiert.
Eine absolute Temperaturmessung kann entweder über Eichmessungen mit einem nicht dargestellten externen Thermoelement oder über ein nicht dargestelltes integriertes Thermoelement im Gehäuse des Mikrofluidikprobenmoduls erfolgen, wobei letzteres vorteilhaft einen unmittelbaren Kontakt mit der Heizfläche 11 bzw. dem Messsensor 15 aufweist.
Die Dichtungen 12, 16 können aus einem einseitig oder doppelseitig klebenden Tape oder einem Dichtungsmaterial wie Kautschuk oder Silikonen bestehen. Stattdessen kann eine Dichtung aber auch dadurch erzielt werden, dass die aneinandergrenzenden Bereiche miteinander verklebt sind.
Das Mikrofluidikprobenmodul 1 hat als kompaktes Mikrofluidikprobenmodul beispielsweise Außenlängen von 5 cm × 6 cm × 2 cm. Für einen Einsatz beim Endverbraucher kann es insbesondere aber auch in der Größe einer Chipkarte gefertigt sein. Der Durchmesser der Fluidkanäle 7, 8 beträgt typisch weniger als 2000 µm, vorzugsweise 500 µm oder weniger. Das Volumen der Probenaufbereitungskammer 4 liegt bei maximal 500 µl, vorzugsweise etwa bei 5 bis 10 µl oder darunter. Die Messkammer ist mit maximal 100 µl, vorzugsweise etwa 1,5 µl oder weniger, noch etwas kleiner. Wegen des hohen Preises der für die Nachweisreaktionen eingesetzten Reagenzien sind aber auch Kammervolumina im Nanoliter-Bereich angestrebt.
Zur Optimierung des Mikrofluidikprobenmoduls 1 sind die Wandungen der heizbaren und als Denaturierungskammer ausgebildeten Probenaufbereitungskammer 4 zusätzlich mit einer Metallisierung 18 versehen, um eine verstärkte Reflexion von Wärmestrahlung zu erzielen. Dadurch kann ein deutlicher Rückgang der Wärmestrahlung auf das übrige Gehäusematerial des Gehäuses des Mikrofluidikprobenmoduls 1 sowie eine Erhöhung des Wirkungsgrads für die Denaturierung beobachtet werden. Das Mikrofluidikprobenmodul ist aber auch ohne eine solche Metallisierung einsetzbar.
Zur Analyse einer Probe wird diese dem Mikrofluidikprobenmodul 1 über die geregelte Fluidzufuhr 2 zugeführt und gelangt dadurch zunächst in die Probenaufbereitungskammer 4. In der Probenaufbereitungskammer 4 wird die Probe durch die Mittel zur Temperaturbeeinflussung in Form der Heizvorrichtung 9, der ersten thermischen Durchkontaktierung 10 und der Heizfläche 11 für 5 Sekunden bis 10 Minuten auf eine Temperatur von 90 bis 96°C erhitzt. Dadurch wird die Probe zumindest teilweise denaturiert. Insbesondere wird, wenn in der Probe DNS-Moleküle enthalten sind, die Konzentration von einsträngigen DNS-Molekülen erhöht.
Danach wird die Probe über den ersten Fluidkanal 7 von der Probenaufbereitungskammer 4 in die Messkammer 5 geleitet. In der Messkammer 5 reagiert die Probe beispielsweise mit dort vorliegenden oder der Messkammer 5 aus nicht dargestellten Kammern zugeführten Messreagenzien und wird über den Messsensor 15 detektiert. Allgemein kann der Messsensor 15 beispielsweise ein optisch, optochemisch, elektrisch und/oder elektrochemisch messender Sensor sein. Er ist insbesondere als Sensorfeld und/oder als Biosensor ausgebildet.
Die Messwerte des Messsensors 15 können elektrisch über ein ISO-Kontaktfeld oder über Steckkontakte optisch oder elektrochemisch ausgelesen werden. Zudem ist eine Infrarotschnittstelle zur Datenübertragung möglich. Das gesamte Mikrofluidikprobenmodul kann dabei in Form eines kompakten Moduls aufgebaut sein oder die Form einer Chipkarte aufweisen. Bei der Chipkartenlösung kann die elektrische Auslesung der Analyseparameter über ein ISO-Kontaktfeld erfolgen, wobei der Chip für die elektrische Detektion auf einem Trägerband in Draht-Bond- oder Flip-Chip-Technologie montiert wird. Für Chipkartensysteme und kompakte Probenmodule muss eine Verkapselung der Bonddrähte und der nicht aktiven Chiprückseiten erfolgen. Eine sichere Abdichtung zwischen Mikrofluidiksystem und Messsensor 15 durch die Dichtung 16 ist dabei unumgänglich. Bei einer optischen Auslesung der Analyseparameter muss ein über dem optischen Messsensor angeordnetes Detektionsfenster eine hinreichende Transparenz über einen weiten Bereich des sichtbaren Lichtes bzw. des UV-Lichtes gewährleisten. Bei einer elektrochemischen Auslesung der Analyseparameter kann die Kontaktierung des Messsensors über ein ISO-Kontaktfeld oder über eine Schnittstelle mit Steckkontakten erfolgen.
Bei der Reaktion der Probe mit den Messreagenzien und dem Nachweis auf dem Messsensor 15 kann unerwünschte Wärme frei werden. Deshalb wird der Messsensor 15 und damit auch indirekt auch die Messkammer 5 über Mittel zur Temperaturbeeinflussung in Form der Kühlvorrichtung 13 (bitte Benennung mit oben vergleichen) und der zweiten thermischen Durchkontaktierung 14 gekühlt. Nach der Messung wird die Probe über den zweiten Fluidkanal 8 in die Abfallkammer 6 weitergeleitet und kann gegebenenfalls über die geregelte Fluidabfuhr 3 dem Mikrofluidikprobenmodul 1 entnommen werden.
Es sind auch Ausbildungen des Mikrofluidikprobenmoduls ohne separate Probenaufbereitungskammer 4 als Denaturierungskammer denkbar, bei denen die Denaturierung der Probe in der Messkammer 5 vorgenommen werden. Dazu können an der Messkammer weitere Mittel zur Temperaturbeeinflussung in Form einer Heizvorrichtung angeordnet sein. Alternativ kann die in Fig. 1 dargestellte Kühlvorrichtung 13 aber auch gleichzeitig als Heizvorrichtung dienen.
Da bei zahlreichen Analysevorgängen aber in der Messkammer 5 empfindliche Biomoleküle vorliegen, die bei Temperaturen über 50°C zerstört werden, hat sich in diesen Fällen der dargestellte Aufbau mit einer separaten Denaturierungskammer als zweckmäßig herausgestellt.
Die Integration einer Denaturierungskammer bzw. eine Denaturierungsmöglichkeit in ein Mikrofluidikprobenmodul bietet für Biosensorikanwendungen im Bereich der DNS- und Proteinanalytik den großen Vorteil einer integrierten Anreicherung von einsträngigen DNS-Molekülen bzw. Proteinen und einer unmittelbar nachfolgenden Analytik auf einem Messsensor. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung der Hybridisierungszeit sowie zu einer Erhöhung der Nachweisgrenze.
Im Mikrofluidikprobenmodul können über die in Fig. 1 dargestellten Kammern hinaus noch Reagenzienkammern angeordnet sein, die über ein Septum oder über eine semipermeable Membran mit den entsprechenden Reagenzien gefüllt werden. Bei dem Septum handelt es sich um eine gummiartige Membran, die zum Befüllen der Reagenzienkavitäten von der Nadel einer Füllspritze durchstochen wird, wobei die hierdurch entstandene Perforation sich nach dem Herausziehen der Nadel wieder selbsttätig schließt.
In gleicher Weise kann die Abfallkammer 6 alternativ zur geregelten Fluidabfuhr 3 über ein Septum oder eine semipermeable Membran entleert werden. Es ist aber auch möglich, vorgefüllte Reagenzienkammern zu verwenden und nach der Analyse des Probenfluids von einer Leerung der Abfallkavität abzusehen.
In den Fluidkanälen können verschiedene Einrichtungen mit unterschiedlichen Aufgaben angeordnet werden, wobei dem Fluidiksystem jedoch auch externe Einrichtungen zugeordnet werden können. Diese Einrichtungen dienen in erster Linie zur Steuerung des Fluidiksystems je nach Applikation über elektrokinetische Effekte, wie Elektroosmose, Elektrophorese oder Elektrowetting, über Kapillareffekte sowie über interne oder externe Pumpensysteme, die mit Unterdruck bzw. Überdruck arbeiten können. Für Probenmodule in Chipkartenform werden interne Mikropumpensysteme, elektrokinetische Effekte oder Kapillarkräfte verwendet. Die Steuerung des Fluidiksystems kann darüber hinaus über aktive oder passive Membran- oder Ventilsysteme gezielt erfolgen.
Das Mikrofluidikprobenmodul ist durch mikrostrukturierte Kanäle und Kavitäten aufgebaut. Die Herstellung kann durch Röntgenlithographie, Lasermikrobearbeitung, LIGA-Verfahren, optische Lithographie, mechanische Strukturierung, wie Prägen, Fräsen, Stanzen, durch Spritzgießen, Laserabtrag, isotropes und anisotropes Ätzen, Nanostrukturierung mit Rastersondenmethoden, Galvanoformung, Niederdruckspritzgießen von keramischen Materialien oder AMANDA-Verfahren erfolgen.
Das Gehäuse des Mikrofluidikprobenmoduls kann aus chemisch resistenten oder biokompatiblen Polymeren, Keramiken oder aus halbleitenden Materialien bestehen. Das Mikrofluidikprobenmodul kann aber auch aus unterschiedlichen Materialien und Schichtabfolgen bestehen.
Dem für laborunabhängige Analysen geeigneten erfindungsgemäßen Mikrofluidikprobenmodul ist ein Auslesegerät zur Steuerung der Mikrofluidik und zur Auswertung der Messdaten zugeordnet. In dieses Auslesegerät wird das Mikrofluidikprobenmodul entweder in Form eines kompakten Mikrofluidikprobenmoduls oder in Form einer Chipkarte eingeschoben, zur Steuerung der Prozessparameter, zur optionalen Dosierung der Reagenzien und zum Auslesen der Messdaten.
Bei einem kompakten Mikrofluidikprobenmodul kann die Probenzufuhr und -abfuhr extern oder intern sowie die Reagenziendosierung und die Reagenzienzufuhr oder -abfuhr intern oder extern über eine externe Auswerteeinheit gesteuert werden.
Wird das Mikrofluidikprobenmodul in Form einer Chipkarte in das Auslesegerät eingebracht, so wird ein kompaktes Handgerät definiert, dessen Reagenzien bei externer Reagenzienzufuhr über ein Kartuschensystem sowie bei externer Reagenziendosierung über Mikropumpensysteme oder durch gezielte Steuerung von elektrokinetischen Effekten erfolgen kann. Darüber hinaus kann mit einem solchen Handgerät auch eine Auswertung der Messdaten erfolgen.
Wird das Mikrofluidikprobenmodul als kompaktes Mikrofluidikprobenmodul oder in Form einer Chipkarte in das Auslesegerät eingebracht, so kann bei interner Mikrofluidiksteuerung der Transport über ein internes Mikropumpensystem, passive und aktive Ventiltechnik und über elektrokinetische Effekte gesteuert werden. Die Adressierung der elektrischen Impulse erfolgt über das ISO-Kontaktfeld, eine Steckverbindung oder eine Infrarotschnittstelle. Bei optischer Auslesung kann auch ein optischer Reader integriert sein.
Wird das Mikrofluidikprobenmodul in Form einer Chipkarte in ein als Handgerät definiertes Auslesegerät eingebracht, so kann diese Handauswerteeinheit mit dezentraler Stromversorgung, wie Batterien, Solarzellen etc. die gesamte Auswertesoftware enthalten und daher für dezentrale Anwendungen im laborunabhängigen Bereich, wie z. B. für Selbsttest (Home-Care) geeignet sein.
Nach dem Einbringen des Probenmoduls in ein Auslesegerät kann dann die Reagenzienzu- und/oder -abfuhr sowie deren Mikrodosierung erfolgen.
Nach dem Einbringen eines Probenmoduls in Form eines kompakten Probenmoduls oder in Form einer Chipkarte in das Auslesegerät kann bei internen Reagenzienkavitäten und interner Mikrodosierung die Steuerung der Prozessparameter extern über die Schnittstelle ISO-Kontaktfeld, Steckkontakt oder Infrarotschnittstelle zur Auswerteeinheit erfolgen.
Schließlich ist es auch möglich, dass das Auslesegerät über eine Software für die Steuerung von Prozessparametern (Mikrofluidik, Elektrochemie, etc.) und zum Auslesen von Messdaten verfügt.

Claims

1. Mikrofluidikprobenmodul zur Analyse einer Probe mit einer Messkammer (5) und einem Messsensor (15), gekennzeichnet durch Mittel (9, 10, 11; 13, 14) zur Temperaturbeeinflussung.

2. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9, 10, 11; 13, 14) zur Temperaturbeeinflussung Mittel zur Temperaturbeeinflussung von zumindest Teilen der Probe sind.

3. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13, 14) zur Temperaturbeeinflussung Mittel zur Temperaturbeeinflussung des Messsensors (15) sind.

4. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9, 10, 11; 13, 14) zur Temperaturbeeinflussung Mittel zur Temperaturbeeinflussung in der Messkammer (5) und/oder in einer der Messkammer vorgeschalteten Probenaufbereitungskammer (4) sind.

5. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regelung, die die Temperaturbeeinflussung so regelt, dass die Probe zumindest teilweise denaturiert wird.

6. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9, 10, 11) zur Temperaturbeeinflussung so eingerichtet sind, dass die Probe auf 85°C bis 99°C erhitzt wird, insbesondere auf 90°C bis 96°C.

7. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer und/oder die Probenaufbereitungskammer (4) Mittel (18) zur Wärmeisolation aufweisen.

8. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofluidikprobenmodul (1) einen Energiespeicher aufweist, der den Mitteln (9, 10, 11; 13, 14) zur Temperaturbeeinflussung die zur Temperaturbeeinflussung benötigte Energie zur Verfügung stellt.

9. Mikrofluidikprobenmodul nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (9, 10, 11; 13, 14) zur Temperaturbeeinflussung ein Peltierelement enthalten.

10. Verfahren zur Analyse einer Probe in einem Mikrofluidikprobenmodul (1) mit einer Messkammer (5) und einem Messsensor (15) bei dem die Temperatur zumindest in Teilen des Mikrofluidikprobenmoduls (1) über am und/oder im Mikrofluidikprobenmodul (1) angeordnete Mittel (9, 10, 11; 13, 14) zur Temperaturbeeinflussung beeinflusst wird.

11. Verfahren nach zumindest Anspruch 10, bei dem die Temperatur zumindest eines Teils der Probe beeinflusst wird.

12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10 und 11, bei dem die Temperatur des Messsensors (15) beeinflusst wird.

13. Verfahren nach zumindest Anspruch 11, bei dem die Temperatur zumindest eines Teils der Probe so beeinflusst wird, dass die Probe zumindest teilweise denaturiert wird.

14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Probe auf eine Temperatur von 85°C bis 99°C erhitzt wird, insbesondere auf eine Temperatur on 90°C bis 96°C.

15. Verfahren nach zumindest Anspruch 14, bei dem die Probe für 5 Sekunden bis 10 Minuten erhitzt wird.