DE112016003247T5

DE112016003247T5 - Kontinuierliches, kapazitätsgestütztes Überwachen von Flüssigkeitsströmen in einer mikrofluidischen Einheit

Info

Publication number: DE112016003247T5
Application number: DE112016003247.1T
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Delamarche; Yuksel Temiz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-05
Also published as: GB2558839A; JP7064802B2; GB201807075D0; WO2017077409A1; JP2019500587A; CN108474814A; US10369567B2; US20170120240A1; GB2558839B

Abstract

Ein mikrofluidischer Chip (10) weist einen Mikrokanal (11, 11a), der mit einer Flüssigkeit (5) füllbar ist, wobei der Mikrokanal (11, 11a) ein Elektrodenpaar (21, 22, 21a, 22a) und einen Flüssigkeitsströmungsweg (12) aufweist, der zwischen den Elektroden (21, 22, 21a, 22a) definiert ist, wobei sich jede der Elektroden (21, 22, 21a, 22a) entlang des Strömungsweges (12) und parallel zu einer Richtung einer Flüssigkeit (5) erstreckt, die im Betrieb jeden der Mikrokanäle (11, 11a) füllt, und eine elektrische Schaltungsanordnung auf, die mit jeder der Elektroden (21, 22, 21a, 22a) verbunden ist und konfiguriert ist, um im Betrieb über die Elektroden (21, 22, 21a, 22a) eine Kapazität der Elektroden, die mit einer Flüssigkeit (5) benetzt sind, die den Strömungsweg (12) kontinuierlich füllt, als eine Funktion der Zeit zu messen.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Mikrofluidik und insbesondere mikrofluidische Chips, die mit Elektroden ausgestattet sind, um Messungen an Flüssigkeiten in dem Chip durchzuführen, wie zum Beispiel Mikrofluidik für die Point-of-Care-Diagnostik, sowie damit verbundene Systeme und Strömungsüberwachungsverfahren.
Mikrofluidik befasst sich mit dem Verhalten, der präzisen Steuerung und der Handhabung kleiner Volumina von Flüssigkeiten, die üblicherweise auf Kanäle im Mikrometermaßstab und Volumina üblicherweise im Submilliliter-Bereich beschränkt sind. Markante Merkmale der Mikrofluidik gehen auf das besondere Verhalten von Flüssigkeiten im Mikrometermaßstab zurück. Der Strom von Flüssigkeiten in der Mikrofluidik ist üblicherweise laminar. Durch die Herstellung von Strukturen mit lateralen Abmessungen im Mikrometerbereich können Volumina deutlich unter einem Nanoliter erreicht werden. Reaktionen, die in großen Maßstäben begrenzt sind (durch Diffusion von Reaktanten), können beschleunigt werden. Schließlich können parallele Flüssigkeitsströme möglicherweise genau und reproduzierbar gesteuert werden, wodurch chemische Reaktionen und Gradienten an den Grenzflächen flüssig/flüssig und flüssig/fest möglich sind.
Genauer gesagt, typische Volumina von Flüssigkeiten in der Mikrofluidik reichen von 10^–15 l bis 10^–4 l und werden über Kanäle (oder Mikrokanäle) mit einem typischen Durchmesser von 10^–7 m bis 10^–4 m transportiert, zirkuliert oder allgemeiner bewegt. Im Mikrobereich kann sich das Verhalten von Fluiden von dem bei einem größeren, z.B. makroskopischen Maßstab unterscheiden, so dass die Oberflächenspannung, die viskose Energiedissipation und der Fluidwiderstand zu dominierenden Eigenschaften des Fluidstroms werden können. Zum Beispiel kann in der Mikrofluidik die Reynolds-Zahl, die die Effekte von Fluidimpuls und Viskosität vergleicht, so stark abnehmen, dass das Strömungsverhalten eher laminar als turbulent wird.
Darüber hinaus mischen sich Fluide im Mikromaßstab nicht notwendigerweise chaotisch, da in Strömen mit niedriger Reynolds-Zahl im Mikromaßstab keine Turbulenz auftritt und der Grenzflächentransport von Molekülen oder kleinen Teilchen zwischen benachbarten Fluiden häufig durch Diffusion erfolgt. Als Konsequenz können bestimmte chemische und physikalische Fluideigenschaften (wie Konzentration, pH-Wert, Temperatur und Scherkraft) deterministisch werden. Dies ermöglicht es, einheitlichere chemische Reaktionsbedingungen und höherwertige Produkte in ein- und mehrstufigen Reaktionen zu erhalten.
Mikrofluidische Einheiten beziehen sich im Allgemeinen auf mikrogefertigte Einheiten, die zum Pumpen, Probenehmen, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Die meisten mikrofluidischen Einheiten sind abgedichtet und haben Einlässe/Auslässe zum Ein- und Auspumpen von Flüssigkeiten durch sie hindurch. Einige mikrofluidische Einheiten, wie die sogenannten "mikrofluidischen Sonden", können jedoch Oberflächen abtasten und Flüssigkeiten auf ausgewählten Oberflächenbereichen lokalisieren, ohne dass die Strömungswege abgedichtet werden müssen.
Bei mikrofluidischen Einheiten für die Point-of-Care-Diagnostik handelt es sich um Einheiten, die für die Verwendung durch nichttechnisches Personal in der Nähe von Patienten oder vor Ort und möglicherweise zu Hause vorgesehen sind. Vorhandene Point-of-Care-Einheiten erfordern üblicherweise Laden einer Probe in die Einheit und Warten eine vorgegebene Zeit lang, bis ein Signal (normalerweise ein optisches Signal oder ein Fluoreszenzsignal) gelesen werden kann. Das Signal stammt von (bio-)chemischen Reaktionen und bezieht sich auf die Konzentration eines Analyten in einer Probe. Diese Reaktionen benötigen Zeit und sind schwierig zu realisieren, da sie ein optimales Timing, Fließbedingungen der Probe und eine genaue Auflösung der Reagenzien in der Einheit erfordern. Für die Reaktionen werden fragile Reagenzien wie Antikörper verwendet. In der Einheit können möglicherweise Luftblasen entstehen, die zu ungültigen Tests führen können. Darüber hinaus können Ablagerungen in einer Einheit Flüssigkeitsströme blockieren. Bei Einheiten, bei denen Flüssigkeiten in parallele Strömungswege aufgespalten werden müssen, kann es vorkommen, dass die Befüllung nicht mit der gleichen Durchflussrate erfolgt, wodurch die Tests beeinträchtigt oder ungültig werden können. Außerdem versagen einige Tests aufgrund von Herstellungsproblemen.
Darüber hinaus sind mikrofluidische Einheiten für die Point-of-Care-Diagnostik üblicherweise nichttransparent (um Reagenzien vor Licht zu schützen) und sind gewöhnlich zu klein, um eine optische Strömungsüberwachung zu ermöglichen, was sperrige und teure optische Systeme und/oder fortschrittliche Bildverarbeitungsalgorithmen erfordern würde.
Anstelle der Verwendung von aktiven Pumpeinrichtungen sind mikrofluidische Einheiten bekannt, bei denen Kapillarkräfte zum Bewegen einer flüssigen Probe innerhalb der mikrofluidischen Einheit verwendet werden. Dadurch ist die Einheit einfacher zu bedienen und kostengünstiger, da keine integrierte oder externe Pumpe benötigt wird. Partikel, Verunreinigungen und andere Probleme während der Herstellung können jedoch die kapillargestützte Befüllung der Einheit beeinträchtigen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein mikrofluidischer Chip einen mit einer Flüssigkeit füllbaren Mikrokanal, wobei der Mikrokanal ein Elektrodenpaar aufweist, und einen Flüssigkeitsströmungsweg, der zwischen den Elektroden definiert ist, wobei sich jede der Elektroden entlang des Strömungsweges und parallel zu einer Richtung einer Flüssigkeit erstreckt, die den Mikrokanal füllt, und eine elektrische Schaltungsanordnung auf, die mit jeder der Elektroden verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie im Betrieb über die Elektroden eine Kapazität der Elektroden, die durch eine Flüssigkeit benetzt werden, die den Strömungsweg fortlaufend füllt, kontinuierlich als eine Funktion der Zeit messen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Ablaufplan, der grundsätzliche Schritte eines Verfahrens zum Überwachen einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Chip gemäß Ausführungsformen veranschaulicht;
2 ist eine Draufsicht eines mikrofluidischen Chips, der Längselektroden und eine damit verbundene elektrische Schaltungsanordnung aufweist, um kontinuierliche Kapazitätsmessungen gemäß Ausführungsformen durchzuführen;
3 zeigt eine Kurve, die eine Kapazität darstellt, wie sie üblicherweise über die Einheit von 2 gemessen wird. Erkennbare Ereignisse wie Chip-Erkennung, Flüssigkeits-Erkennung und Endpunkt-Erkennung sind hervorgehoben;
4 zeigt eine Explosionsansicht einer Strömungsüberwachungseinheit, wie sie in einem System gemäß Ausführungsformen zum Einsatz kommt, die ferner eine mobile Einheit aufweisen kann. Der Einschub zeigt Einzelheiten der Mikrokanaloberfläche und einer Flüssigkeitsfront, die über ein Gitter von Kapillarstrukturen vordringt;
5 ist eine grafische Darstellung, die eine Spannung während einer Ladung und einer Entladung eines Kondensators sowie zugehörige Größen, die bei einer Kapazitätsmessung beteiligt sind, in Ausführungsformen darstellt;
die 6 und 7 zeigen ein Diagramm bzw. einen entsprechenden Ablaufplan eines Verfahrens zum Messen einer Kapazität mit einem Mikrocontroller und von zwei Mikrokanälen, die bei Ausführungsformen beteiligt sind; und
8 ist eine grafische Darstellung, die Kapazitätskurven verschiedener Flüssigkeiten darstellt, gemessen mit Einheiten gemäß Ausführungsformen.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von Einheiten oder Teilen davon, wie sie in Ausführungsformen enthalten sind. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Ähnliche oder funktional ähnliche Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sofern nicht anders angegeben.
GENAUE BESCHREIBUNG
Wie in der Einleitung dargelegt, ist das Füllen von mikrofluidischen Einheiten für eine Point-of-Care-Diagnostik kritisch; es kann gelegentlich schiefgehen. Dies kann im schlimmsten Fall zu einer falschen Diagnose führen. Im besten Fall erfordert ein Fehler beim Füllen einer Einheit, den Test mit einer anderen Einheit zu wiederholen. Wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt haben, wäre es vorteilhaft, in der Lage zu sein, eine Flüssigkeit kontinuierlich zu überwachen, wenn sie einen Mikrokanal einer solchen Einheit füllt, um einen Benutzer so schnell wie möglich zu warnen, wenn etwas schiefgeht.
Wie weiter in der Einleitung erwähnt, sind einige mikrofluidischen Einheiten bekannt, die Elektroden verwenden, die quer über den Mikrokanälen angeordnet sind, um das Vorhandensein einer Flüssigkeit in der Nähe der Elektroden zu erkennen, z.B. unter Verwendung von kapazitiven Messungen. Es kann jedoch erkannt werden, dass ein Spreizen einiger Paare von Elektroden zum Erzeugen von Kontrollpunkten für ein Füllen von Flüssigkeit nicht ausreicht, um den Füllstatus einer mikrofluidischen Einheit genau zu verfolgen. In der Tat gibt es zu viele potenzielle Fehlerpunkte zum Füllen; ein reduzierter Elektrodensatz kann sogar irreführend sein, indem er darauf hinweist, dass das Füllen in geeigneter Weise ablief, während das Füllen nach dem letzten Elektrodenpaar fehlschlagen kann. Wie es auch realisiert werden kann, ist die Vervielfältigung der Anzahl von Elektrodenpaaren keine praktikable Option, da jede Elektrode eine separate Kontaktfläche benötigt. Mehr Pads benötigen mehr Platz und führen zu einer größeren Einheit. Eine solche Einheit würde schließlich an Tragbarkeit verlieren und in der Herstellung teurer sein.
Wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung ebenfalls festgestellt haben, besteht ein allgemeinerer Bedarf an der Überwachung des Durchflusses von kleinsten Mengen von Flüssigkeiten. In der Tat kommt es bei mikrofluidischen Einheiten nur auf Mikroliter der Probe an, und die Strömungsraten in diesen Einheiten können lediglich 1 Nanoliter pro Sekunde betragen oder kleiner sein. Eine hohe Genauigkeit beim Überwachen einer Strömung wäre daher sehr vorteilhaft, obwohl dies mit transversalen Elektroden nicht erreicht werden kann.
Aufgrund der obigen Beobachtungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Einheiten und Systeme entworfen, die auf kontinuierlichen Kapazitätsmessungen über Längselektroden beruhen, wobei sich eine Kapazität der Elektroden ändert, wenn sie durch eine Flüssigkeit benetzt werden, die einen Strömungsweg eines Mikrokanals kontinuierlich füllt. Dies sowie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend im Detail erläutert. Die folgende Beschreibung ist wie folgt aufgebaut. Zuerst werden allgemeine Ausführungsformen und höhere Varianten beschrieben (Abschnitt 1). Die nächsten Abschnitte behandeln spezifische Ausführungsformen und technische Implementierungsdetails (Abschnitte 2 und 3).
In Bezug auf die 2 und 4 wird zunächst ein Aspekt der Erfindung beschrieben, der einen mikrofluidischen Chip 10 betrifft. Letzterer weist insbesondere einen Mikrokanal 11 (oder einen Mikrokanalabschnitt) auf, der mit einer Flüssigkeit 5 gefüllt sein kann. Der Mikrokanal 11 weist ein Paar Elektroden 21, 22 und einen Flüssigkeitsströmungsweg 12 auf, der zwischen den Elektroden 21, 22 definiert ist. Jede der Elektroden 21, 22 erstreckt sich entlang des Strömungsweges und parallel zur Richtung (in 2 vertikal, aufwärts) der Flüssigkeit, wenn diese im Betrieb den Mikrokanal füllt.
Zusätzlich wird eine elektrische (On-Chip-)Schaltungsanordnung bereitgestellt, die mit jeder der Elektroden 21, 22 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung kann insbesondere elektrische Kontaktflächen 41 bis 44a aufweisen, die in geeigneter Weise mit den Elektroden verbunden sind, um elektrische Signale zu einer Verarbeitungseinheit zu übertragen, die später beschrieben wird. Die On-Chip-Schaltungsanordnung ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, über die Elektroden 21, 22 eine Kapazität der Elektroden, wenn diese durch eine Flüssigkeit 5 benetzt wird, die den Strömungsweg 12 kontinuierlich füllt, kontinuierlich als eine Funktion der Zeit zu messen.
Bei den Elektroden 21, 22 handelt es sich um longitudinale Elektroden. Das heißt, sie erstrecken sich in Längsrichtung auf jeder Seite des Strömungswegs 12, der zwischen den Elektroden 21, 22 definiert ist. Mit "longitudinalen" Elektroden 21, 22 sind nachfolgend Elektroden gemeint, die sich entlang des Strömungsweges (im Gegensatz zu transversalen Elektroden) erstrecken, d.h. parallel zu einer Richtung der Flüssigkeit 5, wenn diese den Strömungsweg und unabhängig von der tatsächlichen Form des Kanals füllt (der wie im Beispiel von 2 möglicherweise ein gerader Kanal sein kann). Die Verwendung von longitudinalen Elektroden 21, 22 ermöglicht, dass im Betrieb die Fortbewegung der Flüssigkeit 5 kontinuierlich überwacht wird, was wiederum ermöglicht, dass eine relevante Rückmeldung (z.B. Anzeigen) zeitnah an den Benutzer bereitgestellt wird, der den Chip 10 manipuliert, wie unten im Detail erörtert wird.
"Kontinuierlich messen" bedeutet, die sich ändernde Kapazität mit einer Häufigkeit wiederholt zu messen, die üblicherweise zwischen einmal pro Millisekunde (ms) und einmal pro Sekunde (s) liegt. Wie später unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 erläutert wird, hängt die Häufigkeit von der RC-Zeitkonstante ab, was im vorliegenden Zusammenhang je nach Festwiderstand und gemessener Kapazität zu Messfrequenzen zwischen 1 Hz und 1 kHz führen kann. Unter Berücksichtigung, dass der Flüssigkeitsstrom in einem Chip gewöhnlich langsam ist, wie z.B. in 2 dargestellt, reichen üblicherweise bereits einige Messungen pro Sekunde aus, um eine Flüssigkeitsströmungsrate vernünftig zu schätzen.
Bei Ausführungsformen, wie beispielsweise in 2 dargestellt, weist der mikrofluidische Chip 10 tatsächlich zwei Mikrokanäle 11, 11a auf, wobei jeder Mikrokanal ein Paar Elektroden 21, 22; 21a, 22a aufweist, und ein Flüssigkeitsströmungsweg zwischen jedem Elektrodenpaar definiert ist. Jedes Elektrodenpaar erstreckt sich im Betrieb entlang des Strömungsweges und parallel zur Richtung der Flüssigkeit 5. Die elektrische Schaltungsanordnung ist mit jedem Elektrodenpaar verbunden, um Kapazitätsmessungen über jedes Elektrodenpaar zu ermöglichen.
Das gleiche Konzept kann bei Bedarf auf mehr unabhängige Kanäle übertragen werden. Die Verwendung mehrerer Kanäle ermöglicht es, gemessene Werte zu mitteln und dadurch genauere Messungen zu erhalten. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung mehrerer Kanäle gemultiplexte Untersuchungen, bei denen jeder Kanal eine unterschiedliche Flussrate hat, optimiert für einen anderen Analyten, wobei jeder Kanal individuell überwacht werden kann.
Wie des Weiteren in den 2 oder 4 zu erkennen ist, kann die maximale Anzahl von Kanälen durch die elektrischen Kontaktflächen 41 bis 44a des Chips und die Anschlüsse eines Verarbeitungselements 102 eines externen Überwachungsmoduls 100 begrenzt sein.
Bei (nicht gezeigten) Ausführungsformen können bis zu sieben Kanäle auf demselben Chip angeordnet sein, abhängig von Grenzen, die durch die Chipfläche und die externe Überwachungsvorrichtung 100 vorgegeben sind; dabei gilt, dass die Kosten umso höher sind, je größer die Fläche ist.
Jeder Kanal benötigt mindestens zwei Elektroden für die Kapazitätsmessungen, einschließlich einer Masseelektrode. Dennoch können eine gemeinsame Masseelektrode für alle Kanäle und sieben unabhängige Elektroden für sieben Kanäle im obigen Beispiel verwendet werden. Es ist zu beachten, dass bei sehr leitfähigen Flüssigkeiten wie PBS die in einem Kanal gemessene Kapazität sich auf Messungen in einem anderen Kanal auswirken kann. Ein solches Phänomen kann jedoch modelliert und gegebenenfalls kompensiert werden.
Bei den vorliegenden Ausführungsformen wird zumeist ohne Vorbedingungen angenommen, dass zwei Hauptmikrokanäle 11, 11a vorhanden sind. Dennoch werden Merkmale der vorliegenden Chips im Wesentlichen in Bezug auf einen der Kanäle (Kanal 11) und seine entsprechenden Elektroden 21, 22 beschrieben, wobei der andere Kanal 12 ansonsten dem ersten Kanal 11 ähnlich ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist jede Elektrode 21, 22 in der Ebene mit dem Strömungsweg und längs des Strömungsweges strukturiert. Wie zu erkennen ist, sind Strukturierungselektroden in der Ebene einfacher herzustellen als Elektroden in separaten Oberflächen, z.B. einer oberen und einer unteren Oberfläche eines Kanals. Vorzugsweise werden Elektroden auf gleicher Höhe wie die Strömungswegoberfläche 12 hergestellt (oder so, dass sie minimale Vorsprünge aufweisen), um ein Stören des Flüssigkeitsstroms zu minimieren. Eine in einer Ebene liegende Konstruktion der Elektroden ist trotzdem weniger störend als eine Sandwich-Konfiguration (obere und untere Elektroden), da die Flüssigkeit 5 mehr Benetzungsoberfläche "sehen" kann (d.h. die Oberfläche des Strömungswegs zwischen den Elektroden und der Oberfläche des Kanals jenseits der Elektroden), ohne im ersten Fall auf Kanten oder Ecken zu treffen.
In Varianten könnten Elektroden an den Seiten von anisotrop geätzten Kanälen (z.B. Si) strukturiert sein, so dass Längselektroden (konische) Wände bilden würden, die an die (untere) Wand angrenzen, wodurch ein Strömungsweg gebildet wird. In diesem Fall muss keine Elektrode am Boden des Kanals (obwohl bei Bedarf zusätzliche Elektroden bereitgestellt werden können) oder auf der Oberseite platziert werden.
Da die Elektroden in der Ebene oder an sich verjüngenden Wänden bereitgestellt werden, wird davon ausgegangen, dass es sich bei der gemessenen Kapazität aufgrund der elektrischen Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Elektrode im Wesentlichen um Doppelschichtkapazitäten handelt, siehe Einfügung von 4. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass sie in der Praxis im Wesentlichen proportional zu den Breiten w der Elektroden ist, und zwar übereinstimmend mit der bekannten Tatsache, dass eine Doppelschichtkapazität wohl mit der betroffenen Fläche zunimmt. Als weniger signifikant hat sich dagegen herausgestellt, dass die gemessene Kapazität ansonsten leicht abnimmt, wenn der Abstand g zwischen den Elektroden zunimmt. Die Beiträge der Doppelschichtkapazität sind nach den von den Erfindern durchgeführten Experimenten am signifikantesten. Mehrere andere Effekte können ferner die gemessene Kapazität beeinflussen, z.B. nichtlineare Elemente mit konstanter Phase und/oder komplexe Impedanz mit dem Effekt des Ladungsübertragungswiderstands usw. Die beteiligten Effekte hängen von den Arten der Flüssigkeit und den Materialien ab, die für die Elektroden verwendet werden. Dennoch haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen eine ungefähr lineare Beziehung zwischen dem Oberflächenbereich der Elektroden und der gemessenen Kapazität für Flüssigkeiten beobachtet, wie sie üblicherweise in der Mikrofluidik verwendet werden.
Dementsprechend zeigt das (vereinfachte) Kapazitätsmodell, das in der Einfügung von 4 dargestellt ist, zwei Doppelschichtkomponenten C_dl für die Kapazität (die sich zur Trockenkapazität C_d der Elektrode addiert). Entsprechend dem Vorhergehenden werden Kapazitätsmessungen geringfügig durch Ladungsübertragungswiderstände R_ct sowie den Widerstand R_s der Probe (d.h. der Flüssigkeit) beeinflusst. Der Widerstand R_s, der mit C_dl in Reihe geschaltet ist, hat eine viel niedrigere Impedanz als die von C_dl für übliche Flüssigkeiten, die in mikrofluidischen Anwendungen verwendet werden, er kann daher vernachlässigt werden. R_ct, der sich auf die elektrochemische Ladungsübertragungsreaktion zwischen der Elektrodenoberfläche und dem Elektrolyten bezieht, kann den Spannungsabfall an dem C_dl beeinflussen, wenn er über einen externen Widerstand geladen wird. Dieser Effekt kann jedoch vernachlässigbar sein, wenn man bedenkt, dass R_ct üblicherweise einen viel höheren Widerstandswert als ein externer Widerstand hat.
Was nunmehr die Abmessungen betrifft: Zum einen führt eine zu geringe Elektrodenbreite zu einer zu kleinen Kapazität, was zu einem Verlust der Genauigkeit führt. Auf der anderen Seite beeinflussen zu breite Elektroden die Kapillarströmung, da sie einen anderen Wasserkontaktwinkel als die Chipoberfläche und insbesondere der Strömungsweg (bei dem es sich üblicherweise um eine SiO₂-Oberfläche handelt) aufweisen. Zu breite Elektroden würden weiterhin zu hohe Kapazitätswerte verursachen, was die Messzeiten unzulässig verlängern würde, wie später erläutert wird.
Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen gibt es folgende bevorzugte Abmessungen für die Elektroden. Bei Ausführungsformen hat jede Elektrode 21, 22 eine Breite w zwischen 10 und 500 µm. Der Spalt g zwischen den Elektroden liegt zwischen 10 und 1000 µm und ist vorzugsweise größer als die Breite einer Elektrode w, um Störungen des Flüssigkeitsstroms zu minimieren. Es wird noch stärker bevorzugt, dass jede der Elektroden 21, 22 eine Breite zwischen 30 und 160 µm hat, während die Lücke zwischen den Elektroden vorzugsweise zwischen 40 und 520 µm liegt. Bei breiten Kapillarpumpen (z.B. breiter als 5 mm) könnte die Lücke zwischen den Elektroden vergrößert werden und/oder mehrere Paare longitudinaler Elektroden könnten so strukturiert werden, dass sie einen Mittelungseffekt haben.
Die obigen Abmessungen ermöglichen es, die Strömungsgeschwindigkeiten am genauesten zu messen, wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt haben. Ein bevorzugter Werkstoff für die Elektroden ist Pd. Andere Edelmetalle wie Au, Pt könnten ebenso verwendet werden.
Jeder Mikrokanal 11, 11a ist vorzugsweise als eine passive Kapillarpumpe zum Befördern von darin befindlicher Flüssigkeit 5 konfiguriert. Insbesondere kann ein Mikrokanal 11 ein Gitter aus Kapillarstrukturen 32 aufweisen, wobei letzteres als eine passive Kapillarpumpe 30, 30a wirkt. Wie in den 2 und 4 ersichtlich erstrecken sich die Elektroden 21, 22 quer über das Gitter 30.
Das Gitter muss keine Translationssymmetrie (d.h. konstante Gitterparameter) haben. Im Gegensatz dazu können die Kapillarstrukturen 32 variierende Gitterparameter haben, insbesondere auf der Ebene der Elektroden 21, 22. In Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit, den verwendeten Werkstoffen und Abmessungen kann z. B. die Flächendichte der Kapillarstrukturen lokal verringert werden, um Platz für die Elektroden zu schaffen, oder im Gegenteil erhöht werden, um die von den Elektroden verursachte Strömungsstörung bei Bedarf auszugleichen.
Bei Varianten zu Kapillarstrukturen kann die Oberfläche des Strömungsweges bereits ausreichend benetzend sein, um als passive Kapillarpumpe 30 zu wirken, ohne dass überhaupt Kapillarstrukturen benötigt werden. In allen Fällen sind passive Kapillarpumpen aus Gründen der Portabilität, der Einfachheit und der Kosten bevorzugt. Dennoch schließt das Vorhandensein passiver Pumpeinrichtungen andere aktive Pump- und/oder Injektionseinrichtungen nicht aus, die insbesondere beim Injizieren und/oder Ausbreiten der Flüssigkeit 5 beteiligt sein können. Bei (weniger bevorzugten) Alternativen können Flüssigkeiten lediglich mittels aktiver Pumpeinrichtungen bewegt werden.
Bei anderen Varianten können andere Flüssigkeitssteuerungsmechanismen auf dem Chip oder in den mikrofluidischen Strukturen integriert sein wie zum Beispiel piezoelektrische, magnetische, elektroosmotische oder Elektrobenetzungs-Kontrollmechanismen usw. Die Elektroden zur Strömungsüberwachung können dann als eine Rückkopplung zur präzisen Steuerung der Strömungsrate verwendet werden. Solche Flüssigkeitssteuerungsmechanismen könnten gegen den Kapillardruck verwendet werden, um den Flüssigkeitsstrom einzustellen, z.B. um den Flüssigkeitsstrom zu verlangsamen oder eine schnellere Strömung zu begünstigen.
Wenn Gitter von Kapillarstrukturen 32 verwendet werden, erstrecken sich die Elektroden 21, 22 vorzugsweise quer über das Gitter entlang seines Medians, wie in 2 dargestellt. Dies ermöglicht in der Praxis die genaueste Extrapolation von Messungen bezüglich einer lokalen Strömungsrate auf einen gesamten Querschnitt eines Kanals 11, da die Flüssigkeitsfront am wenigsten durch die Seiten/Kanten-Effekte beeinträchtigt wird (wo sich mit größerer Wahrscheinlichkeit Verstopfungen oder Blasen bilden können). Dies ermöglicht wiederum, dass das in einem Mikrokanal vorhandene Flüssigkeitsvolumen genau geschätzt werden kann.
Bei Ausführungsformen weist die elektrische Schaltungsanordnung elektrische Kontaktflächen 41 bis 44; 41a bis 44a auf, die sich an einer Kante des Chips 10 befinden, wie in 2 dargestellt. Der Chip 10 kann ferner einen Formfaktor haben, der es ermöglicht, dass der Chip 10 leicht in eine Überwachungseinheit 100 eingesetzt werden kann (4). Da die elektrischen Kontaktflächen 41 bis 44; 41a bis 44a an einer Kante des Chips 10 vorgesehen sind, ermöglichen sie beim Einsetzen in die Überwachungseinheit 100 ein direktes Einstecken des Chips 10.
Die elektrischen Kontaktflächen 41 bis 44; 41a bis 44a sind vorzugsweise als flache Kontaktpads konfiguriert, wie in 2 angenommen wird. Idealerweise sollte bei den Kontaktpads außerdem ein Standard (z.B. MicroSD-Karte usw.) berücksichtigt werden, um eine bessere elektrische Verbindung mit peripheren Ausrüstungen zu ermöglichen.
Bei Varianten können federnde Kontakte vom Typ "pogo-pin" verwendet werden, die weniger Fläche benötigen als flache Kontaktpads, so dass in diesem Fall mehr Kontakte hinzugefügt werden können. Pogo-Pin-Kontakte können irgendwo auf dem Chip angeordnet sein, was eine elektrische Verbindung von einer Buchse mit beispielsweise einer Hauptoberfläche des Chips ermöglicht.
Bei spezieller Bezugnahme auf 4 und gemäß einem weiteren Aspekt kann die Erfindung als mikrofluidisches Messsystem 1 ausgeführt werden. Das System 1 weist einen mikrofluidischen Chip 10 wie oben beschrieben auf. Außerdem weist es eine Strömungsüberwachungseinheit 100 auf. Letztere ist so konfiguriert, dass sie eine Verbindung mit dem Chip 10 ermöglicht. Beispielsweise und wie gerade oben gesehen ist nach dem Einführen des Chips in die Überwachungseinheit 100 dank geeignet konfigurierter elektrischer Kontaktflächen 41 bis 44; 41a bis 44a ein direktes Einstecken des Chips 10 möglich.
Die Gesamtabmessungen der Überwachungseinheit 100 betragen bevorzugt aus ergonomischen Gründen weniger als 20 mm × 60 mm × 160 mm und besonders bevorzugt weniger als 10 mm × 30 mm × 80 mm. Im letzteren Fall kann die Einheit 100 vorteilhaft unter ein Standardmikroskop oder eine Fluoreszenzleseeinrichtung passen, die für Objektträger ausgelegt sind.
Bei Ausführungsformen weist die Strömungsüberwachungseinheit 100 ferner eine Datenverarbeitungseinheit 102 auf, z.B. einen Mikrocontroller. Ein geeignetes Beispiel des Mikrocontrollers ist der Mikrocontroller ATMega32U4 von Atmel^® (AVR-RISC-gestützter 8-Bit-Mikrocontroller). Der Mikrocontroller kann in geeigneter Weise verbunden und programmiert sein, um die Kapazität zu überwachen, wie sie im Betrieb über die elektrische Schaltungsanordnung des Chips 10 gemessen wird.
Die Datenverarbeitungseinheit 102 kann ferner einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 105 aufweisen. Der ADC kann sich beispielsweise innerhalb eines Mikrocontrollers befinden, der oben erwähnt wurde ("ATmega32U4"). Der ADC ist in geeigneter Weise mit einem Bus des Controllers 102 verbunden, um Datensignale zu übertragen, die für nachfolgende Operationen benötigt werden. Es kann lediglich ein physischer ADC erforderlich sein, da ein ADC dennoch durch geeignete Programmierung und Pin-Verbindungen mit verschiedenen Kanälen verbunden sein kann. Bei Varianten kann ein Mikrocontroller mehrere ADCs für simultane Analog-Digital-Umsetzungen von verschiedenen Kanälen aufweisen.
Die Datenverarbeitungseinheit 102 ist üblicherweise mit einfachen Computerprogrammbefehlen programmiert. Interessanterweise kann die Taktfrequenz des Analog-Digital-Umsetzers erhöht werden, vorausgesetzt, dass die verwendete Sprache ausreichend einfach ist. Zum Beispiel kann die Frequenz größer als oder gleich 1 MHz, z.B. gleich 4 MHz sein. Ein Beispiel für Pseudo-Code wird später im Abschnitt 3 gegeben.
Ein weiterer zu berücksichtigender Parameter ist die Anzahl von Bits. Der Mikrocontroller kann zum Beispiel einen 10-Bit-ADC (oder allgemeiner einen 8- bis 20-Bit-ADC oder noch größer) verwenden. Alle diese Parameter beeinflussen die letztliche Auflösung der Kapazitätsmessungen. Höhere Frequenzen und größere Anzahlen von Bits würden jedoch mehr Leistung erfordern. Da jedoch bei den hier betrachteten Anwendungen keine sehr schnellen Messungen benötigt werden, kann ein vernünftiger Kompromiss gefunden werden, um die Verwendung von ADCs mit hohem Leistungsbedarf zu vermeiden.
Durch die Optimierung der ADC-Taktfrequenz können abhängig von den Abmessungen des Kanals und der Elektroden 21, 22 und des Typs der Flüssigkeit, die in dem Kanal vorrückt, Spitze-Spitze-Schwankungen bis zu 5 pF überwacht werden, die üblicherweise einer Auflösung von 10 μm für die Strömungsüberwachung entsprechen.
Nun Bezug nehmend auf die 3A und 8: Bei Ausführungsformen weist die Strömungsüberwachungseinheit 100, die in dem System 1 verwendet wird, ferner eine Datenverarbeitungseinheit 102 auf, die konfiguriert ist, um den Gradienten des Kapazitätswertes über den eigentlichen Kapazitätswert hinaus zu überwachen. Die Überwachung des Gradienten ermöglicht ein Erkennen von Änderungen des Gradienten, was wiederum ein Erkennen von Ereignissen ermöglicht, wie nachstehend beschrieben. Darüber hinaus ist der Gradient des Kapazitätswertes per se als eine Position und/oder ein Volumen von Flüssigkeit 5 interpretierbar, wenn diese im Betrieb den Mikrokanal kontinuierlich füllt. Darüber hinaus ermöglicht es die Messung des Gradienten, die Flüssigkeit zu kennzeichnen, da verschiedene Flüssigkeiten unterschiedliche Gradientsignaturen aufweisen, wie in 8 gezeigt.
Wie oben angegeben, kann die Datenverarbeitungseinheit 102 bei Ausführungsformen so konfiguriert sein, dass sie im Betrieb Änderungen des Gradienten des Kapazitätswertes überwacht. Die Änderungen bei dem Gradienten (darunter abrupte Änderungen) können dann als Ereignisse interpretiert werden, z.B. als Chip-Erkennung, Flüssigkeits-Erkennung, Endpunkt-Erkennung (wo die Flüssigkeit ein Ende des Mikrokanals erreicht) usw. Solche Ereignisse gehen üblicherweise in einem Mikrokanal dem Einleiten der Flüssigkeit voraus oder folgen diesem und sind nützlich beim Begleiten der Flüssigkeit, die den Chip betreibt.
Änderungen bei dem Gradienten des gemessenen Kapazitätswertes können ferner verwendet werden, um Probleme oder Defekte des Chips zu erkennen (z.B. Verstopfung, Leckage usw.).
Zusätzlich zu Änderungen des Gradienten kann der eigentliche Gradient auch verwendet werden, um Strömungsrateninformationen abzuleiten, insbesondere am Ende der Operation, wenn die Kanäle mit der Flüssigkeit vollständig gefüllt sind. Die endgültigen Flussrateninformationen können zum Beispiel verwendet werden, um das Ergebnis eines Bio-Assay zu kalibrieren. Tatsächlich und selbst wenn der Chip ordnungsgemäß funktioniert, könnte es Chip-zu-Chip-Variationen in der gemessenen Strömung geben (üblicherweise Variationen von 5 bis 10 %). Wenn die Kinetik des Assay bekannt ist (z.B., weil sie zuvor gekennzeichnet wurde), kann das Ergebnis des Assay in Abhängigkeit von der exakten Strömungsrate kalibriert werden, so dass Fehler aufgrund von Variationen der Strömungsrate kompensiert werden können.
Nun Bezug nehmend auf die 2 und 3: Bei Ausführungsformen sind die Elektroden 21, 22 in dem Mikrokanal 11, 11a geeignet konfiguriert, beispielsweise für die Datenverarbeitungseinheit 102, so dass sie in der Lage sind, Ereignisse infolge von Änderungen des Gradienten des Kapazitätswertes zu erkennen. Außer Problemen beim Füllen sind insbesondere die folgenden Ereignisse im Betrieb erkennbar: (1) ein Erkennen des Chips 10 beim Einführen desselben in die Strömungsüberwachungseinheit 100; (2) ein Erkennen einer Flüssigkeit 5, die in den Mikrokanal eintritt; und (4) ein Erkennen einer Flüssigkeit 5, die ein Ende des Mikrokanals erreicht (Erkennen eines Endpunkts). Das Berechnungsschema für die normale Strömungsrate (3) tritt zwischen den Schritten (2) und (4) von 3 auf.
Zu diesem Zweck und wie in 2 dargestellt erstrecken sich die Elektroden 21, 22 in Längsrichtung in dem Mikrokanalabschnitt 11 (oder 11a) im Wesentlichen von einem Ende des Kanalabschnitts 11 (11a) zum anderen. Die Elektroden können ferner an den Enden der Kanalabschnitte scharf gebogen sein. Wie zu erkennen ist, wird eine Flüssigkeit, die an dem unteren Ende in den Kanalabschnitt 11 (11a) eintritt oder das obere Ende des Kanalabschnitts 11 (11a) erreicht, dementsprechend einen Sprung bei dem gemessenen Kapazitätswert erzeugen, was wiederum ermöglicht, dass ein entsprechendes Ereignis erkannt wird. Andere Elektrodenkonfigurationen (z.B. mit glatteren Biegungen oder wenn nur eine Elektrode des Paars gebogen ist, usw.) können in Betracht gezogen werden, was es dennoch ermöglichen würde, eine Änderung bei dem Gradienten des gemessenen Kapazitätswertes zu erkennen. Insbesondere kann die Elektrode bei Varianten breitere oder ineinandergreifende Abschnitte aufweisen, um eine eindeutige Signatur der Position der Flüssigkeit bereitzustellen, wie zum Beispiel eine Endpunkterkennung am Ende der Kapillarpumpe.
Nun bei spezieller Bezugnahme auf 4: Das Messsystem 1 kann ferner bei Ausführungsformen eine oder mehrere grafische Benutzerschnittstellen (GUIs) 110, 200 aufweisen. Die GUI(s) können direkt in der Überwachungseinheit 100 und/oder in einer separaten Einheit 200 (z.B. ein Computer oder ein Smartphone) bereitgestellt werden. In allen Fällen sind die GUIs mit der Datenverarbeitungseinheit 102 verbindbar. Die Einheit 102 kann somit anweisen, über die eine oder die mehreren GUIs 110, 200 auf der Grundlage des Kapazitätswertes, des Gradienten des Kapazitätswertes und/oder Änderungen, die bei dem Gradienten des gemessenen Kapazitätswertes erkannt werden, dem Benutzer eine geeignete Rückmeldung bereitzustellen.
Vorzugsweise wird lediglich die Verarbeitungsfähigkeit der Strömungsüberwachungseinheit 100 verwendet. Bei Alternativen kann ein Teil oder die gesamte Verarbeitung delokalisiert, z.B. an eine Begleiteinheit 200 oder sogar einen fernen Server ausgelagert sein. Eine Anzeige 110 kann an der Überwachungseinheit vorgesehen sein und falls erforderlich können Informationen, die darauf angezeigt werden sollen, auf der GUI der Begleiteinheit 200 gespiegelt werden. Zu diesem Zweck kann die letztere Einheit 200 über eine Hardware- oder eine Funkverbindung mit der Strömungsüberwachungseinheit 100 verbunden sein.
Zusätzlich zu visuellen Rückmeldungen können Ausführungsformen ferner Audiosignale und/oder Vibrationen für Warnungen beinhalten. Während der Messungen muss das System 1 (darunter die Einheiten 10 und 100) möglicherweise in einer geschlossenen Kammer oder in einem Mikroskop aufbewahrt, d.h. vom Benutzer isoliert werden. Ein Verbinden der Einheit 100 mit einem Mobiltelefon 200 oder einem Computer ermöglicht, den Benutzer aus der Ferne zu warnen (z.B. kann das Telefon vibrieren oder ein Summer 108 wird aktiviert). In jedem Fall kann ein Alarm ausgelöst werden, sobald ein Problem im Flüssigkeitsstrom erkannt wird. Dementsprechend kann der Benutzer sofortige Maßnahmen ergreifen, z.B. muss der Benutzer nicht warten, bis das Füllen beendet ist, und kann sich sofort daranmachen, den defekten Chip zu wechseln.
Zusätzliche Merkmale des Chips, Einzelheiten der technischen Umsetzung und weitere Überlegungen zu möglichen Fertigungsprozessen sind im Abschnitt 2 aufgeführt. Technische Einzelheiten bezüglich der Programmierung des Mikrocontrollers und Messungen von Kapazitätswerten sind im Abschnitt 3 angegeben.
Bei Bezugnahme auf 1 und gemäß einem weiteren Aspekt kann die Erfindung als ein Verfahren zum Überwachen einer Flüssigkeit 5 in einem mikrofluidischen Chip 10 verkörpert werden, wie oben unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben. Im Wesentlichen handelt es sich bei diesem Verfahren um Überwachen S25 einer Flüssigkeit 5, die den Mikrokanal des Chips 10 kontinuierlich füllt. Das Überwachen S25 wird durchgeführt, indem ein Kapazitätswert der Elektroden als Funktion der Zeit gemessen wird, wenn diese durch die Flüssigkeit 5, die den Strömungsweg 12 kontinuierlich füllt, benutzt werden. Kapazitätsmesssignale werden von der elektrischen Schaltungsanordnung des Chips 10 bereitgestellt. Beispiele für resultierende Messungen sind in den 3A und 8 dargestellt.
Wie bereits erwähnt, können die Mikrokanäle 11, 11a als passive Kapillarpumpen 30, 30a konfiguriert sein, um darin Flüssigkeit 5 zu befördern. Wie bereits erörtert, weisen die Mikrokanäle vorzugsweise Gitter von kapillaren Strukturen 32 auf, die als passive Kapillarpumpen wirken, wobei sich die Elektroden 21, 22 quer über die Gitter erstrecken.
Die Flüssigkeit 5 kann zugeführt werden S40, beispielsweise unter Verwendung einer Pipette in die Mikrokanäle eingeleitet werden, z.B. über ein Lade-Pad (loading pad) 50 (2), bei dem mit jeden Kanal 11, 11a eine Fluidverbindung besteht.
Nachdem die Flüssigkeit 5 eingeleitet wurde, bewirken die passiven Kapillarpumpen 30, 30a, dass die zugeführte Flüssigkeit 5 die Mikrokanäle 11, 11a spontan füllen. Unterdessen können die Flüssigkeitsströmungen kontinuierlich überwacht werden S25, auf der Grundlage von Messungen von Signalen von der elektrischen Schaltungsanordnung des Chips 10.
Dank bevorzugter Ausgestaltungen des Chips 10 und der Einheit 100, die oben erwähnt wurden, können geringe Spitze-zu-Spitze-Änderungen von 5 pF bei dem gemessenen Kapazitätswert erkannt werden. Natürlich können größere Änderungen ebenfalls erkannt werden, beispielsweise ein plötzlicher Sprung, wenn Flüssigkeit eingeleitet wird. Spitze-zu-Spitze-Änderungen unter 5 pF nähern sich üblicherweise dem Rauschpegel und brauchen daher nicht berücksichtigt werden.
Insbesondere können eine Position und/oder ein Volumen der Flüssigkeit 5, die den Mikrokanal 11 füllt, kontinuierlich S berechnet werden S70, während die Kapazitätswerte überwacht werden S25. Die Elektroden 21, 22 erstrecken sich vorzugsweise im Wesentlichen entlang eines Medians eines Gitters 30, 30a, was wiederum ermöglicht, dass Messungen einer lokalen Strömungsrate auf einen gesamten Querschnitt der Kanäle 11, 11a (und somit bei Bedarf auf ein Volumen, das möglichst genau geschätzt wird) extrapoliert werden kann.
Die Strömungsgeschwindigkeit kann insbesondere wie folgt berechnet werden. Es werden beispielsweise ein erster Kapazitätswert C0 und anschließend ein zweiter Wert C1 gemessen, und t Sekunden später, z.B. t = 10 s, wird C10 gemessen und es wird die Rate (C1 – C0)/t berechnet. Um dann die Strömungsrate aus dem gemessenen Kapazitätswert zu schätzen, müssen elektrische Eigenschaften der eingeleiteten Flüssigkeit 5 bekannt sein.
Zwei Situationen können betrachtet werden. In einem ersten Fall weiß der Benutzer, welche Art von Flüssigkeit verarbeitet wird, und daher können die elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit in die Überwachungseinheit 100 eingegeben werden. Ansonsten kann das System 1 die Flüssigkeit charakterisieren, beispielsweise direkt aus dem Gradienten des gemessenen Kapazitätswertes. Bei Varianten kann das System 1 elektrische Eigenschaften der Flüssigkeit Dank Elektroden messen, die in dem Lade-Pad 50 (2) bereitgestellt werden. Bei weiteren Varianten können Elektroden in einem Kanalabschnitt nach dem Flüssigkeits-Lade-Pad 50 in dem Flüssigkeitsweg bereitgestellt werden. Bei weiteren Varianten kann ein Seitenkanal, der nicht mit dem Hauptströmungsweg, sondern mit dem Lade-Pad verbunden ist, bereitgestellt werden, der zum Charakterisieren der elektrischen und strömungstechnischen Eigenschaften der Flüssigkeit verwendet wird. In allen Fällen kann eine Flüssigkeit so charakterisiert werden, dass Eigenschaften der Flüssigkeit abgeleitet werden können. Dann können diese Informationen zum Berechnen der Strömungsrate in den Kanälen 11, 11a verwendet werden.
Wie oben erwähnt kann der mikrofluidische Chip 10 mehrere Kanäle 11, 11a enthalten (beispielsweise zwei in dem Beispiel von 2). Der Berechnungsschritt S70 kann demzufolge beispielsweise auf dem Verknüpfen von Ergebnissen von entsprechenden Kapazitätsmessungen beruhen, d.h. Messungen, die über die elektrische Schaltungsanordnung über jedes Paar von Elektroden 21, 22; 21a, 22a durchgeführt werden.
Das kontinuierliche Überwachen S25 kann ferner Überwachen des Gradienten des Kapazitätswertes, darunter das Erkennen S30, S50, S110 von Änderungen bei dem Gradienten des Kapazitätswertes, aufweisen. Im Allgemeinen werden alle Daten, die von Interesse sind, protokolliert S90. Insbesondere können Ereignisse, die den erkannten Änderungen entsprechen, gespeichert werden S90, beispielsweise Ereignisse (1), (2) und (4) von 3, um bei Bedarf eine entsprechende Rückmeldung an den Benutzer bereitzustellen. Wenn der Chip einen On-Chip-Flüssigkeitssteuerungsmechanismus (beispielsweise auf der Grundlage von magnetischen, piezoelektrischen, elektroosmotischen, pneumatischen oder Elektrobenetzungs-Prinzipien) oder eine externe Pumpe oder ein Zentrifugierungssystem aufweist, kann die Rückmeldung zum präzisen Abstimmen einer Strömungsrate verwendet werden. Wie des Weiteren in 1 wiedergegeben kann das vorliegende Verfahren insbesondere erkennen, dass: ein Chip in der Überwachungseinheit 100 eingesetzt (eingesteckt) wurde S20, S30; eine Flüssigkeit 5 in einen Mikrokanal eingetreten ist S50; und eine Flüssigkeit 5 ein Ende des Mikrokanals 11 erreicht hat S110. Die Daten, die im Schritt S90 registriert wurden, müssen nicht unbedingt in einem dauerhaften Speicher gespeichert werden.
Bei Ausführungsformen wird dem Benutzer eine visuelle Rückmeldung während des Prozesses über eine grafische Benutzeroberfläche 110 bereitgestellt S35, S55, S130, obwohl andere Signale (Tonsignal, über einen Summer oder Vibration) anstelle von oder zusätzlich zu visuellen Signalen verwendet werden könnten. Nachdem sie eingeschaltet wurde, beginnt die Einheit 100 das Überwachen des Kapazitätswertes S10. Dabei kann eine Rückmeldung insbesondere bereitgestellt werden S33, S35, bevor oder nachdem ein Chip erkannt wurde S30, den der Benutzer eingesetzt hat S20 (das erzeugt einen ersten Sprung (1) bei dem Kapazitätswert, siehe 3). Gleichfalls kann eine Rückmeldung bereitgestellt werden S53, S55 bevor oder nachdem Flüssigkeit erkannt wurde S50, die der Benutzer eingeleitet hat S40 (die einen zweiten Sprung (2) bei dem Kapazitätswert erzeugt, siehe 3). Außerdem kann während des Berechnungsschritts S70 eine weitere Rückmeldung S73, S75, S77 bereitgestellt werden, die (beispielsweise den Benutzer) über die Fluidgeschwindigkeit informiert (z.B. zu langsam S73, normal S75 oder zu schnell S77), wobei eine Aufforderung erfolgt, eine Aktion zu unternehmen S60.
Verschiedene Szenarios können dabei betrachtet werden. Bei vollkommen passiven Kapillarsystemen und wenn die Strömung außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, kann ein Benutzer (oder ein Roboter) den Chip aussortieren. Wenn nun die Strömung im zulässigen Bereich liegt, können bisher erhaltene Daten zum Kalibrieren des Assay verwendet werden. Wenn beispielsweise On-Chip- oder Off-Chip-Flüssigkeitssteuerungstechniken (z.B. eine elektroosmotische, eine Elektrobenetzungs-, eine piezoelektrische, eine pneumatische oder eine magnetische Steuerung usw.) verwendet werden, kann der Benutzer, eine Einheit (z.B. ein Roboter oder eine bestimmte Einrichtung einer bestimmten Art) oder das System selbst die Steuerung über die Strömung haben und geeignete Aktionen unternehmen. Bei einem weiteren Beispiel kann der Benutzer möglicherweise entscheiden, dem Chip trotz der Warnung (S73, S77) eine Chance zu geben, und eine bestimmte zusätzliche Zeitspanne abwarten. Tatsächlich kann eine Warnung infolge eines kleineren Defekts in der Pumpe ausgelöst werden S73, S77, und die Strömungsrate kann zu ihrem normalen Wert zurückkehren. Der Benutzer (bzw. das System) könnte später entscheiden (bzw. informieren), ob der vorübergehende Fehler für das Assay-Ergebnis möglicherweise kritisch war.
Die Fluidgeschwindigkeit beeinflusst den Kapazitätswert (3) und deren Gradienten, siehe die 3 und 8. Wenn schließlich über Berechnungen im Schritt S70 festgestellt wird, dass die Kanäle 11, 11a voll sind (Endpunkt-Erkennung (4) in 3), kann eine entsprechende Rückmeldung einem Benutzer bereitgestellt werden S130. Die im Schritt S130 bereitgestellte Rückmeldung kann beispielsweise den Benutzer auffordern, den Test zu beenden, z.B. den Chip 10 zu entfernen. Bei Varianten kann diese Rückmeldung S130 angeben, dass das System für Assay-Messungen bereit ist, z.B. zum Erkennen eines Analyten unter Verwendung einer Fluoreszenz-Leseeinrichtung.
Der Rückmeldungsprozess, der bei Ausführungsformen aktiviert wird, ermöglicht eine Interaktivität über den gesamten Prozess. Ereignisse können erkannt werden (beispielsweise wird ein Chip erkannt S30 bis S35), Aufforderung zu einem nächsten Schritt S40 (einleiten von Flüssigkeit), was wiederum zum Erkennen S50 bis S50 eines nächsten Ereignisses Führt (Flüssigkeit wird erkannt) usw. Beispielsweise kann bei Anwendungen, bei denen mehrere Pipettierschritte erforderlich sind, das System den Benutzer zum nächsten Pipettierschritt und seiner Ablaufsteuerung führen. Informationen in Bezug auf die Berechnung der Strömungsrate können kontinuierlich an den Benutzer berichtet werden, S73 bis S77.
Bei weiteren Ausführungsformen können mehrere mikrofluidische Einheiten (beispielsweise in einem klinischen Labor) parallel betrieben werden. In diesen Fällen kann anstelle einer Einchip-Überwachungseinheit ein vollständiges Überwachungssystem verwendet werden, wobei das System mehrere Einheiten parallel überwacht. Wenn die Einheiten für Messungen bereit sind, kann das Überwachungssystem eine Rückmeldung wie z.B. „Einheit Nr. 1: Strömung OK; Einheit Nr. 1 bereit zur Messung“ bereitstellen. Dann kann der Benutzer (oder ein automatisierter Roboterarm) anschließend die Einheit in eine automatische Leseeinrichtung einstecken. Bei einem derartigen Szenario muss die Leseeinrichtung während der Flüssigkeits-(Strömungs-)Füllphase genutzt werden, die in einigen Fällen bis zu 30 Minuten oder länger dauern kann. Daher könnten einige zehn (z.B. kostengünstige) mikrofluidische Einheiten mit einer Option zur Strömungsüberwachung verwendet werden, während lediglich eine (z.B. hochwertige, teure) Leseeinrichtung zum Einsatz kommt.
Bei nochmals weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Arten der Rückmeldung bereitgestellt werden. Das System könnte beispielsweise so gestaltet sein, dass es den Benutzer warnt, dass es für Messungen zu spät ist, da der Benutzer z.B. für eine bestimmte Zeitspanne nicht verfügbar war und Zwischenwarnungen verpasst hat, so dass die Flüssigkeit in dem Kanal getrocknet ist und die Ergebnisse nicht mehr gültig sind. Wenn eine Flüssigkeit in den Kanälen (insbesondere in einem Erfassungsbereich) nach einer bestimmten Zeitspanne trocknet, kann dies tatsächlich die Ergebnisse verändern.
Die obigen Ausführungsformen wurden bei Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen prägnant beschrieben und können eine Anzahl von Varianten beinhalten. Verschiedene Kombinationen der oben genannten Merkmale können in Betracht gezogen werden. Beispiele sind in den nächsten Abschnitten angegeben.
Der bzw. die Strömungswege 12, 12a sind vorzugsweise durch Kapillarkräfte angetrieben Dank Kapillarpumpen 30, 30a (die ebenfalls als Strömungswege betrachtet werden können), die in Fluidverbindung mit dem Strömungsweg oder mit den Strömungswegen vorgesehen sind und eine durch Kapillarkräfte angetriebene Strömung zur Folge haben. Da der Strömungsweg hydrophil ist, sollte eine Flüssigkeit, die in den Strömungsweg eingeleitet wird, die hydrophile Oberfläche auf jeden Fall benetzen und in dem Strömungsweg vordringen. Ein Strömungsweg ist vorzugsweise in einem verschließbaren Mikrokanal vorgesehen, z.B. in eine Oberfläche des Chips eingelassen oder auf dieser strukturiert, wie später erörtert wird. Ein Strömungsweg ist dann „hydrophil“, wenn er durch (zumindest) eine hydrophile Oberfläche definiert ist. Der Strömungsweg kann trotzdem durch mehrere Oberflächen definiert sein, jedoch nicht alle diese Oberflächen müssen hydrophil sein. Die Hydrophilität des Strömungsweges kann durch eine Kombination von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen erreicht werden oder indem Oberflächen mit unterschiedlichen hydrophilen Eigenschaften vorhanden sind.
Die Verwendung von passiven Kapillarpumpen ermöglicht ein Erstellen eines in stärkerem Maße kompakten, autonomen und wirksamen Systems. Vorzugsweise erfolgt kein aktives Pumpen (erzwungene Flüssigkeits-Injektion, Extraktion durch Pumpen oder Zentrifugieren der Flüssigkeit), um eine kompaktere Oberfläche zu erreichen. Außerdem weist der mikrofluidische Chip vorzugsweise keine Flüssigkeitsverbindung mit externen Einheiten auf, z.B. über Rohranschlüsse, sondern ist lediglich mit einem Flüssigkeits-Lade-Pad 50 ausgestattet. Aus ähnlichen Kompaktheitsgründen weist der Chip vorzugsweise keinen Vorratsbehälter auf.
Eine hydrophile Oberfläche ist in einem mikrofluidischen Mikrokanal 11, 11a und genauer durch eine oder mehrere innere Wände eines Kanals definiert. Diese Oberfläche kann aus SiO₂ durch thermische Oxidation (aus einem Si-Wafer) hergestellt werden, wodurch hochwertige SiO₂-Schichten erhalten werden können. Außerdem können SiO_x-Schichten erhalten werden, die ebenfalls geeignet sind, unter Verwendung von Techniken der Niedertemperatur-Ablagerung wie Sputtern, Aufdampfen. SiO_x-Oberflächen haben jedoch wahrscheinlich eine höhere Defektdichte und Pinholes, die möglicherweise Eigenschaften der elektrischen Isolierung beeinträchtigen, die in Anwendungen gefragt sind. Bei Varianten können außerdem chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) von Si₃N₄-Siliciumnitrid oder Atomlagenabscheidung (ALD) von dielektrischen Schichten, z.B. Al₂O₃ usw., in Betracht gezogen werden. Bei ALD handelt es sich um eine kostenintensive Technik, bei der dicke Schichten wie beispielsweise 50 nm oder stärker nicht machbar sind.
Herstellungsverfahren, die auf Ätzen von anisotropem Silicium beruhen, können zum Erhalten von bündigen Elektrodenoberflächen 21, 22 verwendet werden. Das heißt, die Oberfläche einer Elektrode (die sich längs des Strömungswegs 12 longitudinal erstreckt), die einer Flüssigkeit ausgesetzt ist, kann so gefertigt werden, dass sie in dem Strömungsweg in einer Ebene oder im Wesentlichen in einer Ebene mit einer umgebenden Oberfläche 12 liegt. Mit anderen Worten, die Elektroden sind vorzugsweise in einem Kanal so angeordnet, dass sie in eine Dicke der Oberfläche des Kanals, der den Strömungsweg definiert, integriert sind, wobei die freiliegenden Oberflächen der Elektroden 21, 22 mit der umgebenden Oberfläche 12 im Wesentlichen bündig sind. Das bedeutet, dass die Fehlausrichtung zwischen einer freiliegenden Elektrodenoberfläche und der umgebenden Oberfläche in Bezug auf die Tiefe des Mikrokanals (die vorzugsweise um eine bis drei Größenordnungen geringer oder noch kleiner ist) oder eine übliche Dicke einer darin befindlichen Flüssigkeit 5 vernachlässigbar ist. Es sind beispielsweise Verfahren bekannt, bei denen Fehlausrichtungen erreicht werden können, die kleiner als 20 nm und noch kleiner als 10 nm sind, wobei die Kanaltiefe üblicherweise zwischen 10 und 20 µm beträgt. Das bringt die Oberflächen-Topografie auf einen möglichst kleinen Wert und begünstigt somit laminare Strömungen, die möglicherweise vorteilhaften sind, um Störungen bei der Flüssigkeitsströmung zu vermeiden. Eine möglichst geringe Oberflächen-Topografie ist außerdem vorteilhaft zum Vermeiden von Anhaftungsstellen während der Erstbefüllung eines Strömungsweges mit einer Flüssigkeit. Das reduziert außerdem Randdefekte an den Elektroden und verhindert somit unerwünschte elektrische Felder an den Rändern.
Bei Varianten können Elektroden wie oben erwähnt an den konischen Seitenwänden strukturiert sein.
Es ist zu beachten, dass alle Elektroden aus demselben Maskenlayout gezogen und gleichzeitig durch dieselben Herstellungsschritte strukturiert werden können.
Bei dem Flüssigkeitseingang 50 kann es sich beispielsweise um einen Flüssigkeits-Lade-Pad 50 handeln, der zum Laden einer Flüssigkeitsprobe in den Strömungsweg konfiguriert ist, oder es könnte sich außerdem um einen Mikrokanal, der z.B. selbst mit einem Flüssigkeits-Lade-Pad oder einem anderen Strömungsweg in Verbindung steht, oder um jede Art von Flüssigkeitseinlass (vorzugsweise einen kompakten Einlass) handeln.
Die Verbindung von Elektroden mit elektrischen Kontaktflächen muss gegebenenfalls sorgfältig gestaltet werden, da sie die Kosten von Chips wesentlich beeinflussen kann. In diesem Zusammenhang kann der mikrofluidische Chip vorteilhaft elektrische Kontakte aufweisen, die zu einer Fassung passen. Die Kontakte haben vorzugsweise eine Breite von 500 µm und einen Abstand von 300 µm, d.h. eine Schrittweite von 800 µm. Die Fassung sollte vorzugsweise eine mechanische Ausrichtung auf weniger als 200 µm ermöglichen, um Kurzschlüsse und schlechte Verbindungen zu vermeiden. Beispielsweise hat der Randsteckverbinder des Typs HSEC8 von SAMTEC Kontakte der Schrittweite 800 µm und ermöglicht eine präzise Ausrichtung zwischen Chip und Fassung. Bei dieser Fassung wird für eine zuverlässige elektrische Verbindung eine Kontaktfläche der Länge 4,5 mm verwendet. Alternativ können Fassungen für MicroSD-Speicherkarten (mit beispielsweise 8 Kontakten bei einer Schrittweite von 1,1 mm) für Chips verwendet werden, die eine Kontaktfläche der Länge 3 mm haben. Chips können so gestaltet werden, dass sie eine endgültige Breite haben, die 100 µm kleiner ist als die Breite der Fassungsöffnung (an jeder Seite 50 µm geringer als die Fassungsöffnung, um eine einfache Anordnung zu ermöglichen, ohne Beschädigungen an der Fassung oder an dem Chip zu bewirken). Es wird erwartet, dass Variationen bei den Chip-Abmessungen während der Chipvereinzelung innerhalb von 50 µm liegen. Die Kontakte werden an einer Seite des Chips, vorzugsweise weg von dem Lade-Pad (beispielsweise an der gegenüberliegenden Seite) angeordnet. Die Anzahl von Kontakten kann durch Wiederholung (bei konstanter Schrittweite) vergrößert werden, solange es die Chipabmessungen zulassen. Die Anzahl von Kontakten kann durch gemeinsames Nutzen der Masseelektrode vermindert werden. Darüber hinaus ermöglicht dieselbe Fassung eine elektrische Verbindung mit der Rückseite des Chips, falls ein Leiter- oder Halbleiter-Substrat (z.B. Silicium) verwendet wird und Substrat-Vorspannung gefordert wird. Bei Varianten könnten federnde Kontakte vom Typ „pogo-pin“ verwendet werden, die weniger Fläche benötigen als ebene Kontaktpads, Pogo-pin-Kontakte können auf dem Chip beliebig angeordnet werden, wodurch ermöglicht wird, dass eine elektrische Verbindung zu einer Fassung beispielsweise von einer Hauptoberfläche des Chips hergestellt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform misst der Chip 19,5 × 9,4 mm² und weist einen Lade-Pad, einen Mikrokanal mit eingebetteten Elektroden, eine Kapillarpumpe, Belüftungsöffnungen, eine Deckfolie und elektrische Kontakte auf, die zu einer Kartenrand-Fassung passen. Ein Silicium-Substrat wird verwendet, um die Mikrobearbeitungs-Prozesse sowie die günstigen Eigenschaften von Si und SiO₂ zu unterstützen, beispielsweise Kanalätzen bei einem konischen Seitenwandprofil, Hydrophilität von SiO₂ zum Füllen durch Kapillarwirkung, thermische und chemische Stabilität, mechanische Robustheit, Kompatibilität von SiO₂-Oberflächen mit vielen Biomolekülen und klar definierte und zuverlässige chemische Zusammensetzung.
Bei dem Herstellungsprozess werden Kanäle in Silicium unter Verwendung von TMAH anisotrop geätzt und durch thermische Oxidation elektrisch passiviert. Die Elektroden werden durch Metallaufdampfen und Lift-Off (Abheben) nach gleichmäßiger Beschichtung und durch Strukturieren eines einlagigen Fotoresist gestaltet. Vor dem Metallaufdampfen wird ein kurzes isotropes SiO2-Ätzen durchgeführt, um das Lift-Off zu unterstützen und die Elektroden auszusparen. Die Fotolithografie-Parameter werden optimiert, um zumindest eine minimale Merkmalgröße von 5 µm in 20 µm tiefen Gräben zu erreichen. Nach den Vereinzelungs- und Reinigungsschritten wird eine hydrophile Trockenfilmabdeckung bei 45 °C laminiert, um die mikrofluidischen Strukturen abzudichten. Eine SEM-Untersuchung zeigte, dass sich der Abdeckfilm perfekt über die Kanäle und über die Kapillarpumpe erstreckt. Die Elektroden zeigten minimierte Randdefekte und eine sehr flache Oberflächentopologie aufgrund des Aussparungsschritts.
Bei weiteren Varianten werden Elektroden auf einer ebenen Si-Oberfläche mit einer SiO₂-Passivierungsschicht unter Verwendung eines Metall-Abhebe- oder eines Metall-Ätzprozesses strukturiert. Mikrofluidische Strukturen werden dann unter Verwendung eines additiven Prozesses strukturiert wie beispielsweise fotolithografisches Strukturieren von SU-8 oder Trockenfilm-Resist. Es wird zwar nicht bevorzugt, Elektroden können jedoch außerdem auf dem Abdeckungssubstrat (oder Film) strukturiert und anschließend unter Verwendung einer Chip- oder Wafer-Bondtechnik an das Substrat gebondet werden, das mikrofluidische Strukturen trägt (z.B. Film-Laminieren, anodisches Bonden, Direkt-Bonden, thermoplastisches Bonden, adhäsives Bonden usw.). Wenn es bereits eine Chip-Funktionalität gibt, bei der Elektroden erforderlich sind (z.B. Micro-Heater, Elektroden für Dielektrophorese oder Elektrobenetzen, oder Elektroden für amperometrisches, impedimetrisches oder elektrochemisches Erfassen usw.), können Elektroden zur Flüssigkeitsüberwachung im Allgemeinen zusammen mit den anderen Elektrodenmustern oder leitenden Schichten strukturiert werden.
Verfahren, die an dieser Stelle beschrieben werden, können bei der Herstellung von mikrofluidischen Einheiten, insbesondere von Chips auf der Grundlage von Wafern, verwendet werden. Die resultierenden Chips können vom Hersteller in Form von Roh-Wafern (d.h. als ein einzelner Wafer, der mehrere Chips ohne Gehäuse hat), als nackter Chip oder in einer Form mit Gehäuse verteilt werden. In dem zuletzt genannten Fall ist der Chip in einem Einzelchip-Gehäuse (beispielsweise als Kunststoffträger) oder in einem Mehrchip-Gehäuse angeordnet. In jedem Fall kann der Chip anschließend mit anderen Chips oder anderen mikrofluidischen Elementen (Rohranschlüssen, Pumpen usw.) integriert werden, wenn Anwendungen mit autonomen Chips als Teil eines (a) Zwischenprodukts oder eines (b) Endprodukts bevorzugt werden.
Bei Ausführungsformen weist die Einheit 100 ein dreidimensional gedrucktes Gehäuse 106 auf, das eine gedruckte Leiterplatte (PCB) 103 beherbergt (4). Ein ATmega32U4-Mikrocontroller 102 ist mit der Unterseite der PCB 103 verbunden. Ein Mikro-USB-Steckverbinder 104 gewährleistet Stromversorgung und Datenaustausch. Ein Summer 108 ist auf der Oberseite der PCB 103 angebracht sowie eine Chipleser-Aufnahme 107 mit Kontaktflächen zum Bereitstellen einer elektrischen Konnektivität mit der elektrischen Schaltungsanordnung des Chips 10, wenn dieser in die Aufnahme 107 eingesetzt ist. Eine Anzeige 110 wird außerdem bereitgestellt. Alle elektrischen Komponenten sind über die PCB 103 mit dem Mikrocontroller 102 verbunden.
Es ist zu beachten, dass die Einheit 100 ferner eine (nicht gezeigte) Batterie und ein Bluetooth-Modul aufweisen kann, wobei der USB-Anschluss zum Laden der Batterie verwendet werden kann. Der Platzbedarf kann jedoch unverändert sein, wenn beispielsweise die Batterie und das Bluetooth-Modul unter der PCB 103 angeordnet werden. Zusätzliche Komponenten können auf der PCB für eine drahtlose Konnektivität vorgesehen sein.
Der Mikrocontroller weist einen ADC 105 auf, der vorzugsweise bei einer Taktfrequenz im Bereich von 1 bis 4 MHz oder höher arbeitet. Der ADC misst Spannungswerte kontinuierlich (“V_out” in den 5 und 6), und der Mikrocontroller wartet, bis der Wert den von V_set (5) erreicht. Die Zeitspanne, die zum Erreichen von V_set erforderlich ist, hängt von der Zeitkonstanten τ = RC ab, die in vorliegenden Anwendungen üblicherweise zwischen 1 ms und 1 s liegen kann in Abhängigkeit von dem Festwiderstand und dem gemessenen Kapazitätswert C. Ein großer Kapazitätswert verlängert beispielsweise die Zeitspanne zum Erreichen von V_set. Die maximalen Kapazitätswerte liegen üblicherweise bei etwa 10 nF, wenn die Pumpe gefüllt ist. Dieser Wert kann jedoch von der Größe von Pumpe und Elektroden abhängen. Ein Einstellen des Festwiderstands auf 10 MOhm (Megaohm) ermöglicht zumindest einige Messungen pro Sekunde bei fünfmaliger Mittelwertbildung. Wenn berücksichtigt wird, dass die Kapillarströmung in der Kapillarpumpe gewöhnlich langsam ist, sind einige Messungen pro Sekunde zum Schätzen der Strömungsrate ausreichend. Wenn der Kapazitätswert zu groß wird, könnte eine Messung mit Mittelwertbildung mehrere zehn Sekunden dauern, was möglicherweise für die Präzision der Messung problematisch wäre. In diesen Fällen könnte die Breite der Elektrode oder der Widerstandswert des Festwiderstands verringert werden.
5 stellt allgemein einen Lade-Entlade-Zyklus für einen unbekannten Kondensator dar. Folgende Abkürzungen werden in den 6 und 7 verwendet:

– die Zahlen 1 und 2 beziehen sich auf den ersten bzw. den zweiten Kanal (mit Ausnahme der Zeitpunkte t0 und t1, die unterschiedliche Zeitpunkte bezeichnen, deren Werte während des Betriebs wie in 5 aufgezeichnet werden);
– C bezeichnet den unbekannten Kapazitätswert des Kondensators, d.h. mit den Elektroden 21, 22 in dem mikrofluidischen Chip 10;
– R_c und R_dc beziehen sich auf den Lade- bzw. Entladewiderstand, bei dem es sich in jedem Fall um einen physischen Widerstand mit einem bekannten Wert von üblicherweise wenigen MOhm (für R_c) oder wenigen kOhm (für R_dc) außerhalb des mikrofluidischen Chips auf der Leiterplatte 103 handelt;
– V_in bezeichnet die von dem Mikrocontroller an die elektrische Schaltungsanordnung des Chips 10 angelegte Spannung zum Laden des unbekannten Kondensators über R_c;
– V_out ist die an dem unbekannten Kondensator gemessene Spannung;
– d1, d2, ..., dn bezeichnen digitale Anschlussstifte des Mikrocontrollers;
– a1, a2, ... an bezeichnen analoge Anschlussstifte des Mikrocontrollers;
– MUX steht für den Multiplexer, durch den der Mikrocontroller dank geeigneter Programmierung die zu messenden Anschlussstifte auswählen kann;
– ADC bezeichnet den erwähnten Analog/Digital-Umsetzer;
– Intern-V_ref ist die im Mikrocontroller erzeugte Referenzspannung zum Betreiben des ADC;
– V_set ist der eingestellte (Schwell-)Wert für die Spannung am Kondensator;
– comp. bezeichnet einen digitalen Komparator; und
– ALU ist die arithmetische Logikeinheit für Berechnungen.

Die Funktionsweise des ADC für Kapazitätsmessungen wird im Folgenden lediglich für einen Mikrokanal erläutert. Mehrere Kanäle können nacheinander (bei wiederholten Abläufen) oder parallel gemessen werden, wenn der Mikrocontroller mehrere ASCs hat.
Eine geeignete Technik zum Messen der Kapazität beruht auf der Zeitspanne, die zum Laden des Kondensators auf einen eingestellten Wert unter Verwendung eines bekannten Widerstands erforderlich ist. Zunächst wird d2 (ein digitaler Anschlussstift, der mit dem Entladewiderstand verbunden ist) potenzialfrei gestellt, so dass es keinen direkten Strom von d1 zu d2 gibt (Schritt S701 in 7). Anschließend wird eine Spannung an d1 angelegt (S702), um den Kondensator über R_c zu laden. Der Spannungswert kann in Abhängigkeit von dem verwendeten Mikrocontroller z.B. 5, 3,3, 1,8 oder 1,2 Volt betragen. Hier wird ein Wert von 5 V angenommen. In dem Mikrocontroller gibt es einen freilaufenden Zeitgeber; wenn V_in auf 5 V eingestellt ist, wird der Wert t₀ des Zeitgebers registriert (in einem Puffer) S703. Dann wird ein Lesen des Werts von V_out unter Verwendung des ADC begonnen, wenn der Kondensator geladen wird, S704. Jedes Mal, wenn der ADC einen Wert erzeugt (S704), wird dieser Wert mit dem eingestellten Wert (1 V) verglichen S705.
Für Operationen Lesen-Vergleichen wird ein sehr schneller Zyklus benötigt. Das heißt, der ADC sollte ausreichend schnell sein, damit er den eingestellten Wert nicht verfehlt. Wenn die Operationen Lesen-Vergleichen zu langsam sind, würden sie Ursachen für Schwankungen bei dem gemessenen Wert darstellen. Das sollte insbesondere vermieden werden, wenn der Kondensator sehr klein ist, beispielsweise wenn die Kapillarströmung beginnt, in die Pumpe einzutreten. Dabei wird der Kondensator sehr schnell geladen, so dass der ADC den Spannungswert ausreichend schnell erfassen muss. Aus diesem Grund muss die ADC-Taktfrequenz möglicherweise erhöht werden, um Spitze-zu-Spitze-Änderungen zu verringern. Zu diesem Zweck können einfache Befehle erforderlich sein.
Wenn die Spannung des Kondensators 1 V erreicht, S705, wird der Wert des Zeitgebers in einem weiteren Puffer registriert, S706. Dann werden d1 und d2 auf 0 V (Masse) gestellt, S707, so dass sich der Kondensator über R_dc auf 0 V entlädt und für den nächsten Lesevorgang bereit wird. Dabei ist R_dc viel kleiner als R_c, weil es erwünscht ist, dass der Kondensator so schnell wie möglich für den nächsten Lesevorgang bereit ist.
Anschließend berechnet die ALU den Kapazitätswert C aus den bekannten Parametern (R_c, V_in, V_out, wobei letzterer bei t₁ gleich V_set ist, d.h., wenn die Operation gestoppt wird) und aufgezeichneten Zeitgeber-Werten (t₀ und t₁). Unter Beachtung von
kann die Kapazität folgendermaßen berechnet werden:
wobei der Zähler gemessene Größen und der Nenner eingestellte Größen beinhalten. Der Festwiderstand R_c kann eine Fertigungstoleranz von beispielsweise 1 % haben, daher muss die obige Formel für den nächsten gemessenen Wert des R_c kalibriert werden. Alternativ kann ein veränderlicher Widerstand (ein Potentiometer) oder ein Transistor für eine präzise Kalibrierung des R_c verwendet werden. Außerdem kann ein bekannter Kondensator anstelle eines mikrofluidischen Chips eingesteckt und die Formel gemäß dem bekannten Wert kalibriert werden.
Tatsächlich muss es sich bei dem Ergebnis nicht um den exakten Wert eines Kondensators handeln. Stattdessen sollte es lediglich als eine Zahl betrachtet werden, die mit der sich ändernden Position der Flüssigkeit größer wird (wenn letztere den Kanal füllt). Zwar könnte das System vorzugsweise so kalibriert werden, dass alle hergestellten Strömungsüberwachungssysteme für den gleichen mikrofluidischen Chip den gleichen Wert ergeben. Andernfalls könnte es möglicherweise Variationen geben, hauptsächlich infolge des Wertes des Festwiderstands.
In den obigen Schritten wird V_set auf 1 V eingestellt, um alle unerwünschten elektrochemischen Ereignisse zu vermeiden (Blasenbildung, Elektrodenkorrosion usw.). Mehrere aufeinanderfolgende Messungen können für denselben Kanal ausgeführt werden; wobei ein Verwenden eines Mittelwertes ein weiteres Reduzieren des Rauschens zur Folge hat.
Dieselbe Prozedur kann dann für andere Kanäle wiederholt werden. Berechnungsschritte für alle Kanäle können verschachtelt sein.
Anmerkungen sind angebracht. Vorzugsweise sollte der Kondensator (wie auch die Elektroden) keinem Potenzial ausgesetzt werden, das die genannten elektrochemischen Effekte zur Folge hat. Außerdem sollten die Messungen vorzugsweise sein:

– ausreichend schnell, um die Strömung der Flüssigkeit zu überwachen, was von besonderer Wichtigkeit ist, wenn der Kapazitätswert groß wird, so dass das Laden eine größere Zeitspanne erfordert;
– ausreichend präzise, um keine Variationen zu erkennen, besonders am Beginn der Strömung, wenn C noch klein ist; und
– ausreichend leistungsarm, so dass sie bei batteriegestützten, mobilen Anwendungen verwendet werden können.

Zum Messen des unbekannten Kapazitätswertes können weitere Techniken angewendet werden, die für kleine/große Kapazitätswerte mehr oder weniger geeignet sind. Bei Bedarf können fortschrittlichere Messtechniken unter Verwendung von automatischer Messbereichserkennung (auto-ranging) (beispielsweise adaptiver Ladewiderstand) beteiligt sein.
Gemäß einem letzten Aspekt kann die Erfindung als ein Computerprogrammprodukt zum Überwachen von Flüssigkeit 5 in einem mikrofluidischen Chip 10 eines mikrofluidischen Messsystems 1 wie oben beschrieben verkörpert sein. Das Computerprogrammprodukt weist ein computerlesbares Speichermedium mit darin verkörperten Programmbefehlen auf, wobei die Programmbefehle durch ein oder mehrere Verarbeitungselemente (vorzugsweise ein Mikrocontroller 102) der Strömungsüberwachungseinheit 100 des Systems 1 ausführbar sind, um eine Flüssigkeit zu überwachen, die im Betrieb den Mikrokanal des Chips kontinuierlich füllt.
Wie in dem vorhergehenden Teilabschnitt erörtert, werden vorzugsweise niederwertige Programmbefehle verwendet, z.B. reflektierenden Pseudo-Code, der in 7 verwendet wird.
Das Computerprogrammprodukt kann noch allgemeiner ein computerlesbares Speichermedium (oder Medien) enthalten, auf dem sich computerlesbare Programmbefehle befinden, um einen Prozessor zu veranlassen, Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Bei dem computerlesbaren Speichermedium kann es sich um eine materielle Einheit handeln, die Befehle zum Verwenden durch eine Befehlsausführungseinheit halten und speichern kann. Bei dem computerlesbaren Speichermedium kann es sich beispielsweise um eine elektronische Speichereinheit handeln, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Ein hier verwendetes computerlesbares Speichermedium sollte nicht so ausgelegt werden, dass es sich dabei per se um vergängliche Signale handelt wie beispielsweise Funkwellen oder andere sich frei ausbreitende elektromagnetische Wellen, elektromagnetische Wellen, die sich durch einen Wellenleiter oder andere Übertragungsmedien ausbreiten (z.B. Lichtimpulse, die ein Lichtwellenleiterkabel durchlaufen) oder elektrische Signale, die durch eine Leitung übertragen werden.
Bei computerlesbaren Programmbefehlen zum Ausführen von Operationen der vorliegenden Erfindung kann es sich insbesondere um Assembler-Befehle, Maschinenbefehle oder Mikrocode handeln. Die computerlesbaren Programmbefehle können nur auf der Einheit 100 oder wenigstens teilweise auf einer angeschlossenen Einheit 200 ausgeführt werden. Bei Ausführungsformen können elektronische Schaltungsanordnungen, darunter beispielsweise eine programmierbare logische Schaltungsanordnung, vor Ort programmierbare Gate-Arrays (FPGA) oder programmierbare Logik-Arrays (PLA) die computerlesbaren Programmbefehle ausführen, indem Zustandsinformationen der computerlesbaren Programmbefehle genutzt werden, um die elektronische Schaltungsanordnung zu personalisieren, um Aspekte der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hier unter Bezugnahme auf Ablaufplan-Darstellungen beschrieben. Es ist klar, dass jeder Block der Ablaufplan-Darstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplan-Darstellungen durch computerlesbare Programmbefehle umgesetzt werden können.
Diese computerlesbaren Programmbefehle können einem Prozessor eines Universalcomputers, eines Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu bilden, so dass Befehle, die über den Prozessor des Computers oder der anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zum Umsetzen der Funktionen/Wirkungen erzeugen, die in den Ablaufplänen spezifiziert sind. Diese computerlesbaren Programmbefehle können außerdem in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein, das einen Computer, eine programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder andere Einheiten anweisen kann, in einer bestimmten Weise zu funktionieren, so dass das computerlesbare Speichermedium mit darin gespeicherten Befehlen einen Herstellungsgegenstand aufweist, der Befehle enthält, die Aspekte der Funktion/Wirkung umsetzen, die in den Ablaufplänen spezifiziert sind.
Die computerlesbaren Programmbefehle können außerdem in einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine andere Einheit geladen werden, um eine Reihe von Operationsschritten zu bewirken, die auf dem Computer, der anderen programmierbaren Vorrichtung oder der anderen Einheit ausgeführt werden sollen, um einen durch einen Computer umgesetzten Prozess zu erzeugen, so dass die Befehle, die auf dem Computer, der anderen programmierbaren Vorrichtung oder der anderen Einheit ausgeführt werden, die Funktionen/Wirkungen umsetzen, die in den Ablaufplänen spezifiziert sind.
Die Ablaufpläne in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Operation von möglichen Umsetzungen von Einheiten, Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen ein Modul, Segment oder Abschnitt von Befehlen repräsentieren, der einen oder mehrere ausführbare Befehle zum Umsetzen der spezifizierten logischen Funktion(en) aufweist. Bei einigen alternativen Umsetzungen können die angegebenen Funktionen möglicherweise nicht in der in den Figuren angegebenen Reihenfolge auftreten. Zum Beispiel können zwei Blöcke, die nacheinander gezeigt sind, tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden oder die Blöcke können gelegentlich in Abhängigkeit von der beteiligten Funktionalität in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden. Es wird außerdem angemerkt, dass jeder Block der Ablaufpläne und der Kombinationen von Blöcken durch Systeme, die auf spezieller Hardware beruhen, umgesetzt werden können, die die spezifizierten Funktionen oder Wirkungen durchführen oder Kombinationen aus spezieller Hardware und Computerbefehlen ausführen.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen, Varianten und die beigefügten Zeichnungen beschrieben, es ist jedoch für einen Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen ausgeführt und Entsprechungen ersetzt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein Merkmal (in Bezug auf Einheit oder Verfahren), das in einer gegebenen Ausführungsform, Variante angegeben oder in einer Zeichnung dargestellt wurde, mit einem weiteren Merkmal in einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung verknüpft oder dieses ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Verschiedene Verknüpfungen der Merkmale, die in Bezug auf eine der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschrieben werden, die im Umfang der beigefügten Ansprüche bleiben können, dementsprechend in Betracht gezogen werden. Außerdem können viele kleinere Modifikationen gemacht werden, um eine bestimmte Situation oder einen bestimmten Werkstoff an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Es ist daher vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein soll, die offenbart wurden, sondern dass die vorliegende Erfindung alle Ausführungsformen enthalten soll, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Außerdem können viele andere Varianten, die oben explizit angesprochen wurden, in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können die beanspruchten mikrofluidischen Chips der vorliegenden Erfindung als mikrofluidische Sonde hergestellt werden.

Claims

Mikrofluidischer Chip, der aufweist: einen Mikrokanal, der mit einer Flüssigkeit füllbar ist, wobei der Mikrokanal aufweist: ein Paar Elektroden; und einen Flüssigkeitsströmungsweg, der zwischen den Elektroden definiert ist, wobei sich jede der Elektroden entlang des Strömungswegs und parallel zu einer Richtung einer Flüssigkeit erstreckt, die den Mikrokanal im Betrieb füllt, und eine elektrische Schaltungsanordnung, die mit jeder der Elektroden verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie über die Elektroden kontinuierlich eine Kapazität der Elektroden misst, die durch eine Flüssigkeit befeuchtet werden, die im Betrieb den Strömungsweg als Funktion der Zeit kontinuierlich füllt.
Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1, wobei jede der Elektroden entlang des Strömungswegs in einer Ebene mit dem Strömungsweg strukturiert ist.
Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Elektroden eine Breite zwischen 10 und 500 μm hat und eine Lücke zwischen den Elektroden zwischen 10 und 1.000 μm beträgt.
Mikrofluidischer Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Mikrokanal ein Gitter von Kapillarstrukturen aufweist, wobei die letzteren als eine passive Kapillarpumpe wirken, und wobei sich die Elektroden über das Gitter erstrecken.
Mikrofluidischer Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Chip zwei Mikrokanäle aufweist, wobei jeder der Mikrokanäle aufweist: ein Paar Elektroden; und einen Flüssigkeitsströmungsweg, wobei der letztere zwischen dem Elektrodenpaar definiert ist, wobei sich das Elektrodenpaar entlang des Strömungsweges und parallel zu einer Richtung einer Flüssigkeit erstreckt, die im Betrieb jeden der Mikrokanäle füllt, und wobei die elektrische Schaltungsanordnung mit jedem Elektrodenpaar verbunden ist und so konfiguriert ist, dass sie über jedes Elektrodenpaar eine Kapazität einer Flüssigkeit, die im Betrieb jeden Durchflussweg kontinuierlich füllt, als Funktion der Zeit misst.
Mikrofluidischer Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schaltungsanordnung elektrische Kontaktflächen aufweist, die an einer Kante des Chips angeordnet sind, wobei der Chip einen Formfaktor aufweist, der ein Einführen des Chips in eine Überwachungseinheit ermöglicht, wobei die elektrischen Kontaktflächen so konfiguriert sind, dass sie ein direktes Einstecken des Chips nach seinem Einführen in die Überwachungseinheit ermöglichen.
Mikrofluidisches Messsystem, das aufweist: einen mikrofluidischen Chip nach Anspruch 6; und eine Strömungsüberwachungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine elektrische Verbindung mit der elektrischen Schaltungsanordnung des Mikrofluidchips ermöglicht.
Mikrofluidisches Messsystem nach Anspruch 7, wobei die Strömungsüberwachungseinheit ferner eine Datenverarbeitungseinheit aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie eine Kapazität der Elektroden, die durch eine den Strömungsweg kontinuierlich füllende Flüssigkeit benetzt sind, im Betrieb als Funktion der Zeit überwacht, gemessen über die elektrische Schaltungsanordnung des Chips, und wobei: die Datenverarbeitungseinheit einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist; und die Datenverarbeitungseinheit mit Computerprogrammbefehlen in einer einfachen Sprache programmiert ist, um die Kapazität zu überwachen, wobei die Sprache einfach genug ist, um eine Taktfrequenz des Analog-Digital-Umsetzers zu ermöglichen, die größer oder gleich 1 MHz ist.
Mikrofluidisches Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Strömungsüberwachungseinheit ferner eine Datenverarbeitungseinheit aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Gradienten einer Kapazität der Elektroden überwacht, die durch eine Flüssigkeit benetzt werden, die im Betrieb den Strömungsweg kontinuierlich füllt, gemessen über die elektrische Schaltungsanordnung des Chips.
Mikrofluidisches Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Datenverarbeitungseinheit ferner so konfiguriert ist, dass sie Änderungen des Gradienten der Kapazität im Betrieb überwacht.
Mikrofluidisches Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Elektroden in dem Mikrokanal dergestalt konfiguriert sind, dass sie beispielsweise für die Datenverarbeitungseinheit in der Lage sind, im Betrieb als Teil der Änderungen des Gradienten der Kapazität eines oder mehrere der folgenden Ereignisse zu erkennen: Erkennen des Chips, wenn er in die Strömungsüberwachungseinheit eingeführt wird; Erkennen einer Flüssigkeit, die in den Mikrokanal eintritt; und Erkennen einer Flüssigkeit, die ein Ende des Mikrokanals erreicht.
Mikrofluidisches Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ferner aufweist eine grafische Benutzerschnittstelle, die mit der Datenverarbeitungseinheit verbindbar ist, und wobei das System ferner so konfiguriert ist, dass es im Betrieb dem Benutzer über die grafische Benutzerschnittstelle und auf der Grundlage des Gradienten der Kapazität und/oder Änderungen bei dem Gradienten einer Kapazität, die über die elektrische Schaltungsanordnung des Chips gemessen werden, eine Rückmeldung bereitstellt.
Mikrofluidisches Messsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das System ferner aufweist: eine mobile Einheit, die mit der Strömungsüberwachungseinheit verbindbar ist, wobei die mobile Einheit die grafische Benutzerschnittstelle aufweist.
Verfahren zum Überwachen einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Chip nach Anspruch 1, wobei das Verfahren aufweist: Überwachen einer Flüssigkeit, die den Mikrokanal des Chips kontinuierlich füllt, indem über die elektrische Schaltungsanordnung des Chips eine Kapazität der Elektroden, die durch die Flüssigkeit benetzt werden, die den Fließweg kontinuierlich füllt, als Funktion der Zeit gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Mikrokanal als eine passive Kapillarpumpe konfiguriert ist, um darin befindliche Flüssigkeit zu befördern, und wobei das Verfahren ferner aufweist: Zuführen von Flüssigkeit in den Mikrokanal und Ermöglichen, dass die passive Kapillarpumpe die zugeführte Flüssigkeit kontinuierlich in den Mikrokanal treibt, während sie die Flüssigkeit überwacht, die den Mikrokanal kontinuierlich füllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei der Mikrokanal ein Gitter aus Kapillarstrukturen aufweist, wobei letzteres als passive Kapillarpumpe wirkt, und wobei sich die Elektroden quer über das Gitter erstrecken, wobei das Verfahren während des Überwachens ferner aufweist: Berechnen einer Position und/oder eines Volumens von Flüssigkeit, die die beiden Mikrokanäle füllt, auf der Grundlage von Messungen, die über die elektrische Schaltungsanordnung durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei es sich bei dem mikrofluidischen Chip um einen mikrofluidischen Chip nach Anspruch 5 handelt und wobei das Berechnen ferner aufweist: Berechnen einer Position und/oder eines Volumens von Flüssigkeit, die die beiden Mikrokanäle füllt, auf der Grundlage von Ergebnissen von Kapazitätsmessungen, die über die elektrische Schaltungsanordnung an jedem Elektrodenpaar durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem mikrofluidischen Chip um einen mikrofluidischen Chip nach Anspruch 6 handelt, und wobei das Verfahren ferner aufweist: Einführen des mikrofluidischen Chips in eine Strömungsüberwachungseinheit, indem die elektrischen Kontaktflächen in die Strömungsüberwachungseinheit gesteckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Überwachen ein Überwachen von Spitze-zu-Spitze-Änderungen von 5 pF bei der gemessenen Kapazität aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das Überwachen ferner ein Überwachen eines Gradienten der Kapazität umfasst, wenn die Flüssigkeit den Strömungspfad kontinuierlich füllt, auf der Grundlage von Signalen von der elektrischen Schaltungsanordnung des Chips.
Verfahren nach Anspruch 20, das während des Überwachens des Gradienten der Kapazität ferner aufweist: Erkennen von Änderungen bei dem Gradienten der Kapazität auf der Grundlage von Signalen von der elektrischen Schaltungsanordnung des Chips.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner aufweist: Speichern eines Ereignisses, das einer erkannten Änderung bei dem Gradienten der Kapazität entspricht, wobei das Ereignis einem der folgenden Ereignisse entspricht: Erkennen, dass dieser Chip in die Strömungsüberwachungseinheit eingesteckt wurde; Erkennen, dass die Flüssigkeit in den Mikrokanal eingetreten ist; und Erkennen, dass eine Flüssigkeit ein Ende des Mikrokanals erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner aufweist: Bereitstellen einer Rückmeldung an einem Benutzer über eine grafische Benutzerschnittstelle bezüglich des gespeicherten Ereignisses.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner aufweist: Erkennen einer weiteren Änderung bei dem Gradienten der Kapazität, wie sie über die elektrische Schaltungsanordnung des Chips gemessen wird, nachdem auf die bereitgestellte Rückmeldung reagiert wurde.
Computerprogrammprodukt zum Überwachen einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Chip eines mikrofluidischen Messsystems nach Anspruch 7, wobei das Computerprogrammprodukt ein computerlesbares Speichermedium mit darin verkörperten Programmanweisungen aufweist, wobei die Programmanweisungen von einem oder mehreren Verarbeitungselementen der Flussüberwachungseinheit ausführbar sind, um eine Flüssigkeit zu überwachen, die den Mikrokanal des Chips kontinuierlich füllt.