Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Mikrofluidsystem bereitzustellen, mit dem in einfacher Weise Flüssigkeiten
transportiert werden können
und ohne dass das Mikrofluidsystem einen externen Anschluß benötigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch
das Mikrofluidsystem nach Anspruch 1. Dabei handelt es sich um ein
Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren
und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei
Reservoire verbindet, wobei die Mündung wenigstens eines Kanals oberhalb
der Grundfläche
eines Reservoirs angeordnet ist.
Mit einem solchen Mikrofluidsystem
können in
einfacher Weise Flüssigkeiten
transportiert werden, indem das Mikrofluidsystem nach einer Seite geneigt
wird, wodurch eine Flüssigkeit
von einem Reservoir (einem höher
gelegenen Reservoir) durch einen damit ver bundenen Kanal in ein
am anderen Ende des Kanals angeordnetes Reservoir fließt. Die oberhalb
der Grundfläche
eines Reservoirs angeordnete Mündung
des Kanals hat verschiedene Vorteile. Wenn eine Flüssigkeit
durch diese Mündung
in ein Reservoir fließt,
wird dadurch verhindert, dass die Flüssigkeit wieder in den Kanal
zurückfließen kann. Befindet
sich die Flüssigkeit
in einem Reservoir, in das ein Kanal mit einer oberhalb der Grundfläche angeordneten
Mündung
mündet,
so kann fließt
die Flüssigkeit
erst dann aus dem Reservoir, wenn eine ausreichende Neigung des
Mikrofluidsystems erreicht ist, so dass die Flüssigkeit in den Kanal eindringen kann.
Auf diese Weise kann auch erreicht werden, dass nur eine vorherbestimmte
Flüssigkeitsmenge aus
einem befüllten
Reservoir in einen Kanal fließt.
Das erfindungsgemäße Mikrofluidsystem kann eine
Mehrzahl von Kanälen
und/oder Reservoiren umfassen. Dabei können mehrere Kanäle in ein Reservoir
münden.
Vorteilhafterweise münden
verschiedene Kanäle
auf verschiedenen Höhen
in ein Reservoir. Es können
mehrere Reservoire mit unterschiedlichen Flüssigkeiten befällt sein.
Die Kanäle können sich
vorzugsweise kreuzen und/oder teilen. Auf diese Weise können aus
verschiedenen Reservoiren, ggf. je nach Neigung, verschiedene Flüssigkeiten
in denselben Kanal fließen.
Die Reservoire und Kanäle
können
vorteilhafterweise auch derart angeordnet sein, dass dadurch ein
geschlossener Flüssigkeitskreislauf
gebildet wird. Durch unterschiedliches Neigen des Mikrofluidsystems
in verschiedene Richtungen, beispielsweise, kann eine Flüssigkeit,
ausgehend von einem ersten Reservoir, abwechselnd durch Kanäle und Reservoire
fließen, bis
sie wieder im Ausgangsreservoir ankommt.
In einer bevorzugten Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann die Grundfläche wenigstens
eines Reservoirs relativ zu einer Reservoirseitenwand geneigt sein.
Dies bedeutet, dass der Winkel zwischen der Grundfläche und der
Seitenwand ungleich π/2
ist. Mit einer derart geeignet gewählten Reservoirgeometrie kann
weiter eingestellt werden, bei welchem Neigungswinkel des Mikrofluidsystems
eine Flüssigkeit
aus einem Reservoir in einen Kanal fließt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann
das Mikrofluidsystem abgeschlossen sein und eine Vorrichtung zum
Druckausgleich umfassen, die jedes Reservoir mit wenigstens einem
anderen Reservoir verbindet. Damit kann insbesondere ein luftdichtes
Abschließen
ermöglicht
werden. Durch das Abschließen
des Mikrofluidsystems wird verhindert, dass die Flüssigkeit
bzw. die Flüssigkeiten
mit der Außenwelt
in Kontakt kommen. Die Vorrich tung zum Druckausgleich kann in Form
von in das Substrat integrierten Kanälen ausgebildet sein, die derart
in die Reservoire münden,
dass keine Flüssigkeit
eindringen kann und sie somit nur dem Gas- bzw. Durckausgleich dienen.
Die Vorrichtung kann vorzugsweise auch in Form von Leitungen ausgebildet
sein, die die Reservoire verbinden, aber nicht in das Substrat integriert
sind.
Gemäß einer vorteilhaften Alternative
können
die Reservoire mit gasdurchlässigen
Deckeln abgeschlossen sein, so dass der Druckausgleich mit der Umgebung
erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann wenigstens ein
Reservoir mit einem Deckel verschlossen sein, wobei der Deckel einen
Filter aufweist. Durch einen solchen Filter kann ein Gasaustausch mit
der Umgebung oder mit einem anderen, verbundenen Reservoir ermöglicht werden,
ohne dass Schadstoffe in das Reservoir eindringen oder aus dem Reservoir
entweichen können.
In einer bevorzugten Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann wenigstens ein
Kanal eine geladene Oberfläche,
Kolloide, Mikrofilter und/oder eine Einrichtung zur Rückflußverhinderung
aufweisen.
Ist die Oberfläche z.b. positiv geladen, haften negativ
geladene Organellen oder Moleküle
an ihr. Die elektrostatische Kraft steigt mit der Ladung der Organelle
oder des Moleküls
an. Wird beispielsweise die Salzkonzentration im Kanal erhöht, sinkt
die Debye-Länge
sowie das Zetapotential ab (Gouy-Chapmann Theorie). Die weniger
stark geladenen Organellen/Moleküle
lösen sich
ab und können
z.b. durch Fluß abtransportiert
werden. Die stark geladenen Organellen/Moleküle bleiben haften. So können Organellen/Moleküle nach
ihrer Ladung getrennt werden. Somit können z.B. DNA-Moleküle aufgereinigt
werden, wenn diese das am stärksten
geladene Molekül bilden
und deswegen am längsten
(bei steigender Ionenstärke)
haften bleiben. Die DNA kann daraufhin mit bekannten Methoden analysiert
werden.
In die Kanälen können Kolloide verschiedener
Größe eingebracht
sein. Diese können
verschiedene Aufgaben erfüllen:
das Aufreinigen von Flüssigkeiten;
die Herausfilterung bestimmter Substanzen aus Flüssigkeiten; die Einbringung
bestimmter Substanzen in Flüssigkeiten;
das Einbringen bestimmter Substanzen bei Vorhandensein spezifischer
Stoffe in der Flüssigkeit.
Dabei kann ausgenutzt werden, dass Flüssigkeiten von ver schiedenen
Richtungen durch die Kolloidbarriere fließen können. Insbesondere können Kolloide
mit einer funktionalisierten Oberfläche verwendet werden.
Mikrofilter können dazu dienen, bestimmte Stoffe
herauszufiltern. In einer bevorzugten Weiterbildung können die
Kolloide in Verbindung mit Mikrofiltern verwendet werden. Die Kolloide
können
auch durch eine Verjüngung
eines Kanals in diesem fixiert werden; der Kanal kann bspw. konisch
ausgebildet sein. Die Kolloide können
z.B. durch Membranen mit einer definierten Porengröße oder
Mikrofilter in dem Kanal fixiert werden. Es ist auch möglich, verschieden
große
Kolloide hintereinander anzuordnen.
Durch die Einrichtung zur Rückflußverhinderung
wird ermöglicht,
dass entsprechende Kanäle nur
zum Flüssigkeitstransport
in einer Kanalrichtung verwendet werden. Die Einrichtung zur Rückflußverhinderung
kann vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildet
sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann wenigstens ein
Kanal und/oder ein Reservoir wenigstens eine Analysesubstanz aufweisen.
Beispielsweise kann eine Analysesubstanz bereits bei der Herstellung
des Mikrofluidsystems in einen Kanal eingebracht werden, so dass
eine spätere
Präparation
des Mikrofluidsystems vereinfacht wird. Vorzugsweise kann der Kanal
und/oder das Reservoir eine Analysesubstanz in einer Hülle aufweisen,
die sich erst nach einer vorbestimmten Zeit oder bei vorbestimmten Umgebungsparametern
auflöst.
In einer bevorzugten Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann in einem Mikrofluidsystem
wenigstens ein weiterer Kanal vorgesehen sein, der eine geladene
Oberfläche,
Feststoffe, insbesondere Kolloide, Mikrofilter und/oder eine Einrichtung
zur Rückflußverhinderung
aufweist. Somit können
durch die verschiedenen Eigenschaften verschiedene Kanäle unterschiedliche
Funktionen beispielsweise beim Analysieren von Zellen und/oder Zellkompartimenten übernehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme können diese optisch hoch transparente
Bereiche und oder in das Substrat integrierte optische Komponenten
aufweisen. Damit können
Zellen und/oder Zellkompartimente in den Kanälen optisch untersucht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können die optisch hoch transparenten
Bereiche oder die integrierten optischen Komponenten eine Schutzfolie
aufweisen. Eine solche Folie kann ein Verkratzen der Bereiche oder
Kompo nenten verhindern. Vor dem Gebrauch des Mikrofluidsystems kann
die Schutzfolie entfernt werden.
Angesichts der eingangs diskutierten
Nachteile ist eine weitere Aufgabe, ein System zum Transportieren
von Flüssigkeiten
bereitzustellen, in dem in einfacher Weise Flüssigkeiten transportiert werden können und
ohne dass das Mikrofluidsystem einen externen Anschluß benötigt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein System zum Transportieren von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem,
umfassend ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei
Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der
zwei Reservoire verbindet, und eine Vorrichtung zum Schwenken des
Mikrofluidsystems um wenigstens eine Achse in wenigstens zwei Richtungen.
Bei dem Mikrofluidsystem kann es sich vorteilhafterweise um eines
der oben beschriebenen Mikrofluidsysteme handeln.
Dadurch ist die gezielte Bewegung
von Flüssigkeiten
in einem Mikrofluidsystem ohne externe Anschlüsse oder Verbindungen möglich. Nach
Einbringen der zu untersuchenden Substanz in das Mikrofluidsystem
kann dieses hermetisch abgeschlossen werden. Dies stellt eine deutliche
Vereinfachung und Verbesserung bei Molekül- und Zelldiagnosen dar, da
in einem solchen Träger
Analysen insbesondere Langzeituntersuchungen ohne direkten Kontakt der
zu untersuchenden Substanzen mit der Außenwelt durchgeführt werden
können.
Unter Schwenken wird das Drehen um
einen Winkel zwischen 0 und 2 n verstanden. Das Mikrofluidsystem
kann um eine Achse in zwei Richtungen und/oder um mehrere Achsen
in eine Richtung geschwenkt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung
kann das Mikrofluidsystem um eine Achse periodisch hin- und hergeschwenkt
werden.
Durch die Neigung des Substrats kann
die Flußrate
eingestellt werden. Auf diese Weise können Flüssigkeiten in dem Mikrofluidsystem
aufgrund von Gravitationskraft transportiert werden. Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung zum Schwenken derart ausgebildet, dass das Mikrofluidsystem
um mehrere Achsen geschwenkt werden kann. Diese Schwenkbewegungen
um unterschiedliche Achsen können sich
insbesondere überlagern;
dabei kann eine Art taumelnde Bewegung des Mikrofluidsystems entstehen.
Insbesondere kann eine Schwenkbewegung um einen Winkel kleiner als
2 n um eine erste Achse mit einer vollständigen Kreisdrehung um eine
zweite Achse überlagert
werden. Bei einer Schwenkbewegung, insbesondere bei einer vollständigen Kreisdrehung,
kann auch die Zentrifugalkraft, mit der die Flüssigkeiten beaufschlagt werden,
für den
Flüssigkeitstransport
ausgenutzt werden.
Durch die Schwenkbewegung können Flüssigkeiten
aus verschiedenen Richtungen, je nach Neigung des Trägers, durch
ein und denselben Kanal strömen.
Dies ist bei der Verwendung einer sich drehenden Unterlage, bei
welcher die Flüssigkeiten
ausschließlich
durch die Zentrifugalkraft bewegt werden, nicht möglich. Auch
ist eine zeitliche Abfolge der Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit einfach
und genau einzustellen. Dies ist besonders bei der kontrollierten
Zusammenführung
von mehreren Flüssigkeiten
vorteilhaft.
Die Vorrichtung zum Schwenken kann
beispielsweise hydraulische Einrichtungen umfassen, mit denen die
Vorrichtung bewegt wird.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung
zum Schwenken eine Einrichtung zum Fixieren des Mikrofluidsystems
aufweisen. Damit werden Mikrofluidsysteme immer an der gleichen
Stelle der Vorrichtung angeordnet. Falls somit die Vorrichtung bestimmte Schwenkbewegungen
automatisiert durchführt,
können
Untersuchungen mit hoher Genauigkeit wiederholt werden.
Erfindungsgemäß wird auch ein System zum Transportieren
von Flüssigkeiten
in einem Mikrofluidsystem bereitgestellt, umfassend ein Mikrofluidsystem
mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem
in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet,
wobei ein erstes Reservoir ein Volumen aufweist, und eine an dem
ersten Reservoir angeordneten Vorrichtung, um das Volumen mit Druck
zu beaufschlagen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Mikrofluidsystem
um eines der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung
zur Druckbeaufschlagung als elastische Membran ausgebildet sein,
die in Form eines Deckels auf dem Reservoir angeordnet ist. Durch
mechanischen Druck auf die Membran wird das Volumen des Reservoirs mit
Druck beaufschlagt. Der Druck kann beispielsweise von Hand oder
mittels eines Mikrofons ausgeübt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann die Vorrichtung zur
Druckbeaufschlagung eine Druckpatrone bzw. Druckkartusche umfassen.
Gemäß einer vorteilhaften Alternative
kann die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eine Einrichtung zum
Erwärmen
und/oder Abkühlen
des Volumens aufweisen. Durch eine Erwärmung oder Abkühlung eines
in dem Volumen befindlichen Gases, dehnt sich dieses aus oder zieht
sich zusammen, so dass das Volumen mit einem positiven oder negativen
Druck beaufschlagt wird.
Wie oben beschrieben, können die
Mikrofluidsysteme eine Mehrzahl von Kanälen und/oder Reservoiren aufweisen.
Dabei können
mehrere Kanäle in
ein Reservoir münden.
Die Kanäle
können
sich auch kreuzen und/oder teilen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die
beiden zuvor beschriebenen Systeme zum Transportieren von Flüssigkeiten
in einem Mikrofluidsystem miteinander kombiniert sein.
Die Erfindung stellt außerdem ein
Verfahren zum Züchten
und/oder Analysieren von Zellen mit den Schritten bereit: Bereitstellen
eines Mikrofluidsystems mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren
und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei
Reservoire verbindet, Einbringen von wenigstens einer Zelle in wenigstens
einen Kanal, Befüllen
wenigstens eines Reservoirs mit einer Flüssigkeit, und Transportieren
der Flüssigkeit durch
einen mit dem befüllten
Reservoir verbundenen Kanal durch Schwenken des Mikrofluidsystems um
wenigstens eine Achse in wenigstens zwei Richtungen. Das Mikrofluidsystem
kann um eine Achse in zwei Richtungen und/oder um mehrere Achsen
in jeweils eine Richtung geschwenkt werden. Vorzugsweise kann es
sich bei dem bereitgestellten Mikrofluidsystem um eines der zuvor
beschriebenen Mikrofluidsysteme handeln.
Auf diese Weise können beispielsweise Zellen
in einem Mikrofluidsystem gezüchtet
werden, wobei die Nährmediumversorgung
und die Produktentsorgung in das Mikrofluidsystem integriert sind. Durch
ein periodisches Hin- und Herschwenken des Mikrofluidsystems kann
beispielsweise Flüssigkeit von
einem jeweils höher
gelegenen Reservoir in ein tiefergelegenes Reservoir durch den Kanal
strömen. Dabei
können
die Geometrien des Kanals und des Reservoirs so aufeinander abgestimmt
sein, dass sich wesentlich mehr Flüssigkeit in den Reservoiren befindet
als im Kanal (typischerweise ein Faktor 10-200). Bilden sich im Kanal toxische
Stoffe, oder ändert
sich die Konzentration des in der Flüssigkeit gelösten Gases
im Kanal, kann diese Flüssigkeit durch
Kippen des Trägers
in eines der Reservoire geleitet werden. Aufgrund der hohen Flüssigkeitsmenge
im Reservoir im Verhältnis
zum Kanal findet dort eine entsprechende Verdünnung statt. Bei wiederholten
Wippen wird somit die Anreicherung toxischer Stoffe und die Zuführung von
Nährmedien
im Kanal gewährleistet.
Dadurch können
Zellen über
einen langen Zeitraum in einem Kanalsystem am Leben gehalten werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Züchten und/oder
Analysieren von Zellen mit den Schritten bereitgestellt: Bereitstellen
eines Mikrofluidsystems mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren
und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei
Reservoire verbindet, Einbringen von wenigstens einer Zelle in wenigstens
einen Kanal, Befüllen
wenigstens eines Reservoirs mit einer Flüssigkeit, und Transportieren
der Flüssigkeit durch
einen mit dem befüllten
Reservoir verbundenen Kanal durch Beaufschlagen der Flüssigkeit
mit Druck. Vorzugsweise kann es sich bei dem bereitgestellten Mikrofluidsystem
um eines der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme handeln.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die
zuvor beschriebenen Verfahren in einem Verfahren kombiniert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der zuvor beschriebenen Verfahren umfasst das Befüllen des
Reservoirs weiterhin ein Befüllen
mit einem Gas. Dadurch wird dafür
gesorgt, dass in der Flüssigkeit eine
bestimmte Konzentration eines bestimmten Gases oder eines Gasgemisches
gelöst
vorliegt. Die Konzentration des Gases in der Flüssigkeit kann dabei durch die
Verweildauer der Flüssigkeit
im Reservoir bestimmt werden. Eine konstante Versorgung mit gelösten Gasen
in der Flüssigkeit
kann durch eine Verbindung der Reservoirs mit dem entsprechenden Gas
gewährleistet
werden.
Durch das Befüllen eines Reservoirs, das
mit einer Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung versehen ist, kann
erreicht werden, dass sich insbesondere oberhalb der Flüssigkeit
ein Gasvolumen befindet. Damit kommt die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung
nicht mit der Flüssigkeit
in Kontakt und die Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit erfolgt mittelbar über das
Gasvolumen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der zuvor beschriebenen Verfahren wird ein Reservoir mit Feststoffen,
insbesondere mit Kolloiden, und ein weiteres Reservoir mit einer
Flüssigkeit
zum Funktionalisieren der Feststoffe befüllt. Durch gezieltes Befüllen unterschiedlicher
Reservoire und anschließendes
Schwenken der Kammer können
die so befüllten Reservoire
mit Flüssigkeit
gefüllt
werden. Die in den Reservoiren befindlichen Feststoffe oder Teile
der Feststoffe können
sich somit in der Flüssigkeit
lösen. Durch
erneutes Schwenken kann die Flüssigkeit
mit den gelösten
Stoffen in einen ausgewählten
Kanal geführt
werden. Dies kann z.B. dazu dienen, Zellen in einer zeitlich definierten
Abfolge mit Nährmedium
zu versorgen. Auch kann so die Wirkung verschiedener Substanzen
auf Zellen nachgewiesen werden.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Nachweis von
Molekülen
kann die Schritte umfassen: Moleküle in einer ersten Flüssigkeit
können
die Oberfläche
eines Kolloids funktionalisieren. Moleküle einer zweiten Flüssigkeit
binden an die funktionalen Gruppen der Kolloidoberfläche. Eine
dritte Flüssigkeit
enthält Moleküle, welche
spezielle Komponenten der angebundenen und/oder funktionalen Gruppe
mit angebundenem Molekül
ablöst.
In jedem dieser Teilschritte können
bestimmte Reaktionen nachgewiesen werden.
Vorzugsweise können die Verfahren dazu verwendet
werden, um Zellorganellen (beispielsweise Zellkern oder Mitochondrien)
oder Zellmoleküle (DNA,
Proteine) zu separieren und/oder zu identifizieren. Dazu werden
die im Substrat/Kanal befindlichen Zellen zerstört. Dies kann z.B. durch osmotischen
Druck, Scherkräfte,
Druckluft, oder spezielle Lösungsmittel
erfolgen. Die Anwendung dieser Methoden ist in einem Mikrofluidsystem
besonders einfach zu realisieren. Die so freigesetzten Zellkompatimente
können
herausgefiltert, chemisch gebunden, im Gel separiert, elektrophoretisch
bewegt und/oder getrennt, immobilisiert oder an geladenen Oberflächen fixiert
werde. Die dazu nötigen
Komponenten können
in das Mikrofluidsystem eingebracht sein oder können in den Kanal gefüllt werden.
Die Verfahren können insbesondere für die folgenden
Analyseverfahren verwendet werden: In-Situ-Hybridisierung, FISH
(fluorescence in situ hybridization) und CGH (comparative genomic
hybridization).
In Kombination mit zeitlich korrelierten Schwenkbewegungen
können
mit den oben beschriebenen Verfahren Organellen und/oder Moleküle in einem
Mikrofluidsystem mit Kanälen,
Reservoiren und den beschriebenen Komponenten vollkommen automatisiert nälen, Reservoiren
und den beschriebenen Komponenten vollkommen automatisiert aus Zellen
separiert und analysiert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung
können alle
zuvor beschriebenen Verfahren derart durchgeführt sein, dass aufgrund der
Schwenkbewegungen das Mikrofluidsystem ein selbstversorgendes System darstellt.
Dies kann durch die Verwendung der oben dargestellten Ausführungen
realisiert werden. Dadurch ist eine Langzeitversorgung der Zellen
gewährleistet.
Dies ermöglicht
einen ,Sofort-Test' auf Zellbasis. Vorzugsweise ist der Träger zunächst durch
einen Abziehdeckel abgeschlossen. Dieser wird bei Gebrauch geöffnet, so
dass der Test durchgeführt werden
kann. Dies ermöglicht
einen lagerfähigen Test
mit lebenden Zellen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
aller zuvor beschriebenen Verfahren umfassen diese den weiteren
Schritt: Fluoreszenzanalyse der Zellen und/oder Zellkompartimente.
Auf diese Weise kann das Züchten
und Analysieren bis hin zur optischen Analyse in einem Mikrofluidsystem
erfolgen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:
1 eine
Querschnittsansicht eines Mikrofluidsystems mit einem Kanal und
zwei Reservoiren,
2 eine
Querschnittsansicht eines Mirofluidsystems mit einer Vorrichtung
zum Druckausgleich zwischen zwei Reservoiren,
3 eine
Querschnittsansicht eines Kanals mit darin angeordneten Kolloiden,
und
4 eine
Querschnittsansicht eines Mikrofluidsystems mit zwei Reservoiren
mit Kanalmündungen
auf verschiedenen Höhen.
1 zeigt
ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat 1, zwei Reservoiren 2 und 3 und
einem in das Substrat 1 integrierten Kanal 4.
Die Mündungen 5 und 6 des
Kanals 4 sind jeweils oberhalb Grundflächen 7 und 8 der
Reservoire 2 und 3 angeordnet. Innerhalb der Reservoire 2 und 3 sind
auf der Grundfläche 7 und 8 stehende
Hohlzylinder 9 und 10 ausgebildet, durch die der
Kanal 4 geführt
wird. Die Hohlzylinder 9 und 10 sind direkt entlang
der Reservoirseitenwände 13 und 14 angeordnet
und gehen in diese über.
Die Mündungen 5 und 6 sind
auf unterschiedlichen Höhen,
von der Grundfläche 7 und 8 gesehen, angeordnet,
so daß je
nach Reservoir ein unterschiedlicher Neigungswinkel des Mikrofluidsystems erforderlich
ist, damit eine Flüssigkeit
in den Kanal 4 fließt.
Die mündungsseitigen
Oberflächen 11 und 12 der
Hohlzylinder 9 und 10 sind abgeschrägt, damit die
Flüssigkeit
beim Ausströmen
aus der Mündung nicht
nach oben spritzt sonder zur Seite fließt.
2a zeigt
ein Mikrofluidsystem, wobei in dem Kanal 4 Zellen 15 angeordnet
sind. Die Flüssigkeitsreservoire 2 und 3 umfassen
jeweils Flüssigkeitsvolumina 16 und 17 und – darüber angeordnet – Gasvolumina 18 und 19.
Bei der Flüssigkeit
handelt es sich um ein Nährmedium.
Die Reservoire 2 und 3 sind durch Deckel 20 und 21 luftdicht
abgeschlossen abgeschlossen. Die Reservoire 2 und 3 sind
durch die Deckel über
einem Gaskanal 22 miteinander verbunden, wodurch ein Gasaustausch
und somit ein Druckausgleich ermöglicht
wird. Während
der Kultivierung der Zellen 15 entstehen toxische Stoffe 23.
Um die toxischen Stoffe zu verdünnen bzw. von
den Zellen zu entfernen und gleichzeitig Nährmedium zuzuführen, wird
das Mikrofluidsystem nach einer Seite geschwenkt. Ein derart geneigtes
Mikrofluidsystem ist in 2b zu
sehen. Durch die Neigung strömt
Flüssigkeit
vom Reservoir 2 in das niedriger gelegene Reservoir 3.
Die toxischen Stoffe 23 werden von den Zellen 15 entfernt
und in dem Reservoir 3 verdünnt; außerdem wird den Zellen frisches
Nährmedium
aus dem Reservoir 2 zugeführt. Das Gas aus dem verkleinerten
Gasvolumen 19 strömt über den
Gaskanal 22 in das Reservoir 2, wodurch ein Druckausgleich
geschaffen wird.
In einer alternativen Ausführung kann
das Kanalsystem mit einer beweglichen Membran abgeschlossen werden.
Diese Membran kann z.B. in einen Deckel eingebracht sein. Durch
Drücken
auf diese Membran entsteht auf der entsprechenden Seite im Kanalsystem
ein Überdruck,
und die Flüssigkeit wird
im Kanal bewegt. Dabei kann der Druck sowohl per Hand angelegt werden,
als auch über
ein Mikrofon übertragen
werden. Durch die Übertragung
mittels eines Mikrofons können
bestimmte Schwingungsfrequenzen oder Überlagerungen von Schwingungsfrequenzen
der Druckdifferenz im Kanal angelegt werden. Dies kann dazu dienen,
Adhäsionskräfte von
Partikeln, wie z.B. Zellen, an den Innenwänden des Kanalsystems zu bestimmen.
Auch kann dadurch die Mischung von zwei Substanzen beschleunigt
oder der gezielte Transport von Flüssigkeiten durchgeführt werden.
Dies ist besonders in kleinen Kanälen gut zu realisieren. In
einer typischen Aus führung
ist das Mikrofon direkt über
dem Träger
angebracht. So kann eine gezielte Bewegung der Flüssigkeit
im Träger
ohne ein Anschlußsytem
erfolgen.
In einer vorteilhaften Alternative
kann die Flüssigkeit
auch durch Anlegen eines Überdruckes auf
mindestens einer Seite des Kanals durch den Kanal transportiert
werden. In einer Ausführung
wird dazu das Kanalsystem mit einzelnen Steckern und/oder einer
Steckerleiste versehen. Diese Stecker können z.B. über ein Schlauchsystem mit
z.B. Druckkartuschen verbunden sein. Vorteilhafterweise ist zwischen
Druckpatrone und Kanalsystem ein Ventil angebracht. Durch Öffnen des
Ventils wird ein Überdruck
im Kanalsystem erzeugt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem
Ventil um ein automatisch ansteuerbares Ventil, z.B. um ein Piezoventil.
In einem Kanalsystem mit mehreren untereinander verbundenen Kanälen kann
eine Flüssigkeit
aus einem Reservoir oder Kanal auch gleichzeitig in mehrere damit
verbundene Kanäle
transportiert werden, indem das Reservoir oder der Kanal mit Druck
beaufschlagt wird. Die wichtigsten Vorteile einer solchen Ausführung sind
zum einen, dass es im Analysegerät außer dem
Ventil keine beweglichen und somit störanfälligen Bauelemente gibt, und
zum anderen, dass die Probensubstanz nur mit dem Träger in Kontakt kommt
(Verringerung des Kontaminationsrisikos). Da nur extrem geringe
Drücke
(mm-cm Wassersäule) verwendet
werden müssen,
ist die Lebensdauer einer so verwendeten Druckpatrone sehr hoch.
In einer Weiterentwicklung ist es möglich, zwischen Druckpatrone
und Trägersystem
einen Druckminderer einzusetzen. Dieser ist vorteilhafterweise ebenfalls
elektrisch anzusteuern. Die Positionsbestimmung der Probensubstanz
kann über
das Messen des angelegten Druckes erfolgen. In einem typischen Analyseprotokoll
wird bei dieser Ausfühung
zuerst die Probensubstanz in den Träger eingefüllt und daraufhin der Probenträger mit
den Anschlüssen
verbunden, über
welche der Überdruck
angelegt werden kann.
In 3 werden
verschiedene Kolloidanordnungen in einem Kanal 4 gezeigt.
In 3a umfasst der Kanal
Kolloide 24, die durch einen Mikrofilter 25 fixiert
sind. In 3b verjüngt sich
der Kanal 4 in Flußrichtung.
Vor dier Verengung lagern sich große Kolloide 24 an.
Dahinter sind dann kleinere Kolloide 26 angeordnet, wodurch
eine Kolloidbarriere aus unterschiedlich großen Kolloiden gebildet wird.
Die Kolloidbarriere in 3c umfasst
nur große
Kolloide 24, die vor einer Verengung fixiert werden.
In fast allen analytischen oder diagnostischen
Tests werden Substanzen (Analysesubstanzen) verwendet, mit deren
Hilfe die zu analysierenden. Stoffe unter anderem charak terisiert,
aufgereinigt, dupliziert, nachgewiesen und/oder neutralisiert/abgetötet werden.
Beispiele sind Puffer, Passivierungspuffer,fluoreszierende Moleküle, radioaktive Moleküle, Markermoleküle, Proteine
oder ganze Zellen. In einer bevorzugten Weiterentwicklung befinden sich
bereits im Kanalsystem Substanzen, die zur Analyse der Probe benötigt werden
(Analysesubstanzen). Diese können
fest, flüssig
oder gasförmig sein.
Insbesondere können
die Analysesubstanzen im Kanalsystem eingetrocknet werden. Die Analysesubstanzen
können
sich direkt in einem Kanal oder in einem Reservoir, welches mit
dem Kanal verbunden ist, befinden. Zwischen dem Reservoir und dem
Kanal kann sich eine wasserlösliche
Spenschicht befinden. Dies hat den Vorteil, dass bestimmte Substanzen
erst nach einer bestimmten Zeit im Reaktions- und/oder Analysebereich
des Kanalsystems wirken können.
Die Analysesubstanzen können
auch in Hüllen
eingeschlossen sein, welche sich erst nach einer gewissen Zeit oder
bei bestimmten Parametern (z.B. pH-Wert, pks-Wert) auflösen (wie bei bestimmten Medikamenten).
So können
in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge ablaufende Analyseprozesse ohne
externe Steuerung, wie einen Lösungsmittelaustausch,
ablaufen. Die Träger
bzw. Mikrofluidsysteme können
mit den bereits integrierten Substanzen ausgeliefert werden.
4a zeigt
einen Querschnitt eines Mikrofluidsystems mit einem Substrat 1,
in welchem zwei Reservoire 27 und 28 übereinander
angeordnet sind. Die Reservoire können von der Seite her zugänglich sein,
indem seitlich jeweils ein weiterer Kanal (nicht gezeigt) in jedes
Reservoir mündet.
Die Grundflächen
der Reservoire sind relativ zur Seitenfläche geneigt, wobei der Neigungswinkel
unterschiedlich ist. Wird das Mikrofluidsystem um einen ersten,
kleineren Winkel geschwenkt (4b),
so erreicht nur dir Flüssigkeit
in dem unteren Reservoir 27 die Kanalmündung und fließt in den
Kanal. Bei einem stärkeren
Neigungswinkel des Mikrofluidsystems (4c) erreicht
die Flüssigkeit
aus dem zweiten Reservoir 28 die Kanalmündung und kann diesen Kanal
durchströmen.