DE112018002121B4

DE112018002121B4 - Mikrofluidik-einheit mit programmierbaren verifikationsmerkmalen

Info

Publication number: DE112018002121B4
Application number: DE112018002121.1T
Authority: DE
Inventors: Onur Goecke; Emmanuel Delamarche
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: US10697986B2; CN110637228B; GB2577225A; JP2020524782A; WO2018235013A1; GB2577225B; US20180372765A1; GB201918101D0; DE112018002121T5; CN110637228A; JP7048929B2

Abstract

Verfahren zum optischen Auslesen von Informationen, die in einer Mikrofluidik-Einheit codiert sind, wobei das Verfahren aufweist:Bereitstellen der Mikrofluidik-Einheit, aufweisend:einen Eingabe-Mikrokanal;mindestens zwei Mikrofluidik-Module; undzwei Sätze von Knoten von jeweils mindestens zwei Knoten, umfassend einen ersten Satz und einen zweiten Satz, wobei:jeder Knoten des ersten Satzes den Eingabe-Mikrokanal mit einem entsprechenden der mindestens zwei Mikrofluidik-Module verbindet,jeder Knoten des zweiten Satzes ein entsprechendes geordnetes Paar von zwei der mindestens zwei Mikrofluidik-Module verbindet, unddie Knoten sowohl in dem ersten Satz als auch in dem zweiten Satz von Knoten unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen;Laden von Flüssigkeit in den Eingabe-Mikrokanal, wodurch diese Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gelangt, in einer Reihenfolge, die durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten bestimmt wird; undoptisches Auslesen eines dynamischen Musters, das durch die Flüssigkeit bewirkt wird, wobei das Muster dynamisch gemäß der Reihenfolge entsteht, in welcher die Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gelangt.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Mikrofluidik-Einheiten. Sie betrifft ferner Verifikations- und/oder Sicherheitsmerkmale für solche Einheiten sowie Verfahren zum optischen Auslesen, Decodieren und Codieren solcher Merkmale in Mikrofluidik-Einheiten. In Ausführungsformen werden solche Verfahren auf Testeinheiten zum diagnostischen Testen angewendet, wie z.B. Schnelltesteinheiten (z.B. Testeinheiten für patientennahe Tests und rezeptfrei erhältliche Tests).
Die Mikrofluidik befasst sich mit der genauen Steuerung und Beeinflussung kleiner Volumina von Fluiden, welche typischerweise auf Kanäle im Mikromaßstab und Volumina im Sub-Millimeter-Bereich begrenzt sind. Hervorstechende Eigenschaften der Mikrofluidik stammen aus dem besonderen Verhalten, das Flüssigkeiten im Mikromaßstab zeigen. Die Strömung von Flüssigkeiten ist in der Mikrofluidik typischerweise laminar. Durch die Herstellung von Strukturen mit lateralen Dimensionen im Mikrometerbereich können Volumina von deutlich weniger als einem Nanoliter erreicht werden. Mikrofluidik-Einheiten beziehen sich im Allgemeinen auf durch Mikrofabrikation hergestellte Einheiten, welche zum Pumpen, zur Probeentnahme, zum Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten benutzt werden.
Viele Mikrofluidik-Einheiten weisen Benutzer-Chip-Schnittstellen und geschlossene Strömungswege auf. Geschlossene Strömungswege erleichtern den Einbau funktioneller Elemente (z.B. Heizungen, Mischer, Pumpen, UV-Detektoren, Ventile usw.) in eine Einheit und beschränken dabei Probleme z.B. in Bezug auf Lecks und Verdampfung auf ein Mindestmaß. Die Analyse von flüssigen Proben erfordert oft eine Reihe von Schritten (z.B. Filtration, Lösen von Reagenzien, Erwärmen, Waschen, Auslesen eines Signals usw.).
Einheiten für schnelle diagnostische Tests (Rapid Diagnostic Tests, RDT) sind Einheiten, die für schnelle und einfache medizinische diagnostische Tests verwendet werden. Sie ermöglichen typischerweise, dass innerhalb von wenigen Stunden oder schneller Ergebnisse erhalten werden. Sie umfassen insbesondere Testeinheiten für patientennahe Tests (Point-of-Care-Tests, POC-Tests) und rezeptfreie Tests (Over-The-Counter-Tests, OTC-Tests).
Patientennahe Testeinheiten (POC-Testeinheiten) sind Einheiten, die für patientennahe Testungen verwendet werden, die auch als Testungen am Bett bezeichnet werden. Solche Einheiten ermöglichen eine medizinische diagnostische Testung am Ort der Behandlung oder in der Nähe desselben, z.B. zu der Zeit und an dem Ort der Patientenbehandlung. Rezeptfreie Tests (OTC-Tests) sind ähnliche Einheiten. Sie sind jedoch typischerweise einfacher als POC-Einheiten und können oft in Apotheken erworben werden, damit die Käufer die Tests selbst durchführen können, z.B. zuhause oder entfernt von Einrichtungen der Gesundheitspflege und ohne Hilfe von Gesundheitspersonal.
Solche Testeinheiten sind typischerweise tragbar, z.B. Handeinheiten, sind einfach zu verwenden, sind kostengünstig herzustellen und schnell. Sie werden deswegen von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als eine unverzichtbare Technologie zur Bekämpfung von infektiösen Erkrankungen, neben anderen Arten von Erkrankungen, und zur Verbesserung der Gesundheit in Ländern angesehen, wo solche Erkrankungen endemisch sind. OTC-Einheiten werden häufig verwendet, z.B. zum Überwachen einer Therapie (um z.B. angemessene Dosen von Medikamenten zur Blutgerinnungshemmung sicherzustellen), zum Überwachen von Glucose im Blut oder zum Erfassen von Medikamentenmissbrauch in Körperfluiden.
Die am weitesten verbreitet verwendeten diagnostischen Einheiten sind vielleicht die sogenannten „Lateralfluss-Assays“, welche auf einem Cellulosestreifen basieren, entlang welchem eine Probe fließt und mit Reagenzien reagiert, die sich auf dem Streifen befinden. Solche Einheiten werden auch als Streifentests bezeichnet und werden typischerweise in der Form von Stäben bereitgestellt, die in eine Flüssigkeit zu tauchen sind, um den Test durchzuführen. Wenn Analyten in der Probe vorhanden sind, erscheint auf dem Streifen ein visueller Hinweis, z.B. ein Farbsignal. Ähnliche Testeinheiten werden verwendet, um Malaria, einen Hepatitis-Virus, HIV, Biomarker für Herzschwäche usw. zu erfassen.
Außer für Erkrankungen werden die hierin vorgesehenen Testeinheiten gewöhnlich verwendet, um einen speziellen Zustand zu erfassen, wie z.B. eine Schwangerschaft oder einen Eisprung.
Es hat zahlreiche Berichte und Warnungen gegeben, dass solche Tests gefälscht werden oder zweckwidrig verkauft werden. Beispielsweise ist in mehreren Quellen berichtet worden, dass gefälschte Tests zur Diagnose von Leishmaniasis verkauft worden sind. Außerdem sind Berichten nach falsche Schwangerschaftstests, falsche Tests zur Glucoseüberwachung und falsche Testkits auf humanen Immunschwäche-Virus (HIV) (ursprünglich dafür entworfen, eine Schwangerschaft oder andere Zustände zu testen) verkauft worden, neben anderen Betrügereien.
Die WHO nimmt an, dass durch die Fälschung von Tests die Überwachung, die Erfassung und die Auslöschung einiger Erkrankungen beeinträchtigt werden. Dies ist besonders beunruhigend in Bezug auf weit verbreitete infektiöse Erkrankungen, da für die Prävention, Behandlung, Erfassung und Auslöschung einiger Erkrankungen typischerweise eine konzertierte und globale Überwachung erforderlich ist. Typischerweise umfassen Programme zur Überwachung, Erfassung und Auslöschung einiger Erkrankungen heterogene Typen von Patienten und Einrichtungen der Gesundheitspflege (z.B. entfernter Außenposten gg. Krankenhaus). Daher ist eine Arbeitsgruppe mit der Bezeichnung IMPACT (http://apps.who.int/impact/en/) eingerichtet worden, um Empfehlungen zu geben und die Achtsamkeit hinsichtlich des Problems der Fälschung von medizinischen Produkten zu steigern. Diese Arbeitsgruppe konzentriert sich auf gefälschte Medikamente und gibt nützliche Empfehlungen zu gemeinsamen Ansätzen, um Verpackungen von medizinischen Produkten Sicherheitsmerkmale hinzuzufügen.
Leider werden solche Sicherheitsmerkmale in der Praxis oft durchbrochen.
Die DE 10 2008 038 457 B4 offenbart eine fluidische Anzeige, umfassend mindestens eine Anzeigeflüssigkeit zur Anzeige von Information, wobei die Anzeigeflüssigkeit durch ein elektrisches Feld in ihrer Oberflächenenergie beeinflussbar ist; eine Mehrzahl von Anzeigeelementen mit Hohlräumen; mindestens ein Flüssigkeitsreservoir zur Bereitstellung der mindestens einen Anzeigeflüssigkeit; eine Dosiereinrichtung für jedes Anzeigeelement, mittels welcher Anzeigeflüssigkeit aus dem mindestens einen Flüssigkeitsreservoir in das Anzeigeelement hinein und aus diesem heraus dosierbar ist; und mindestens eine Anzeigeflüssigkeits-Sammeleinrichtung mit jeweils mindestens einer Sammelelektrode, die derart im jeweiligen Anzeigeelement angeordnet ist, dass mit ihr ein elektrisches Feld auf die im jeweiligen Anzeigeelement befindliche Anzeigeflüssigkeit ausübbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils mindestens eine Sammelelektrode eine strahlenartige Form aufweist, mit sich zu einer Stelle des Anzeigeelementes für die Entnahme der Anzeigeflüssigkeit hin verbreiternden Armen.
Die DE 10 2008 038 462 A1 offenbart eine Anzeige, die auf der Verwendung von Flüssigkeiten zur Visualisierung der Informationen dient, sowie ein Verfahren dazu. Die fluidische Anzeige umfasst eine Mehrzahl von Anzeigeelementen mit Hohlräumen, mindestens eine Anzeigeflüssigkeit zur Anzeige der Information, mindestens eine Flüssigkeitsfördereinrichtung zum Fördern der mindestens einen Anzeigeflüssigkeit, mindestens einen gemeinsamen Hauptkanal zur gemeinsamen Befüllung einer Mehrzahl von Anzeigeelementen und mindestens ein Flüssigkeitsreservoir zur temporären Aufnahme der mindestens einen Anzeigeflüssigkeit und ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen Flüssigkeitsfördereinrichtung Anzeigeflüssigkeit aus dem mindestens einen Flüssigkeitsreservoir durch den in mindestens zwei Anzeigeelemente mündenden gemeinsamen Hauptkanal in diese Anzeigeelemente förderbar und ggf. aus diesen absaugbar ist und dass jedes Anzeigeelement jeweils mindestens eine Einrichtung zur Beeinflussung der Oberflächenenergie der Anzeigeflüssigkeit umfasst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Halten bzw. zum Fördern der gewünschten Flüssigkeit in die Anzeigeelemente unterschiedliche Förderverfahren zum Einsatz gelangen können.
Die US 2011 / 0 216 391 A1 offenbart ein Sicherheitselement mit zumindest einem Anzeigeelement für die nichtrücksetzbare visuelle Anzeige von Information, bei dem das Anzeigeelement ein erstes und ein zweites Volumen, die über zumindest einen Kanal miteinander fluidisch verbunden sind, und genau eine elektrisch ansteuerbare Elektrode aufweist, die genau einem der Volumen beigeordnet und darauf ausgelegt ist, unter Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, die sich in dem beigeordneten Volumen befindet, zu variieren, wobei die Flüssigkeit zumindest einen elektrisch leitenden und/oder polaren und einen unpolaren Anteil aufweist, und zumindest der elektrisch leitende Anteil vollständig und stabil in demjenigen der beiden Volumina vorgehalten wird, welchem die Elektrode nicht beigeordnet ist, und wobei der elektrisch leitende und/oder polare Anteil irreversibel und zumindest teilweise infolge einmaliger Beaufschlagung der Elektrode in das Volumen, dem die Elektrode beigeordnet ist, bewegbar ist.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als ein Verfahren zum optischen Auslesen von Informationen verkörpert, die in einer Mikrofluidik-Einheit codiert sind. Die Mikrofluidik-Einheit umfasst einen Eingabe-Mikrokanal, Mikrofluidik-Module und Sätze von Knoten. Jeder Knoten eines ersten Satzes verbindet den Eingabe-Mikrokanal mit einem der Mikrofluidik-Module. Jeder Knoten eines zweiten Satzes verbindet das eine der Mikrofluidik-Module mit einem anderen, um ein geordnetes Paar der Mikrofluidik-Module zu bilden. Die Knoten des ersten und des zweiten Satzes weisen unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten auf. Das Verfahren umfasst Bereitstellen der Mikrofluidik-Einheit, Laden von Flüssigkeit in den Eingabe-Mikrokanal, um eine geordnete Passage der Flüssigkeit durch jedes der Mikrofluidik-Module in einer Reihenfolge zu ermöglichen, die durch die Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten jedes der Knoten bestimmt wird, so dass die Passage ein optisch lesbares dynamisches Muster erzeugt, welches entsprechend der Entwicklung der Passage durch die Einheit entsteht. Das Verfahren umfasst ferner optisches Auslesen des erzeugten dynamischen Musters.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als ein Verfahren zum Codieren von Informationen in einer Mikrofluidik-Einheit verkörpert. Die Mikrofluidik-Einheit umfasst einen Eingabe-Mikrokanal, Mikrofluidik-Module und Sätze von Knoten. Jeder Knoten eines ersten Satzes verbindet den Eingabe-Mikrokanal mit einem der Mikrofluidik-Module. Jeder Knoten eines zweiten Satzes verbindet das eine der Mikrofluidik-Module mit einem anderen, um ein geordnetes Paar der Mikrofluidik-Module zu bilden. Die Knoten des ersten und des zweiten Satzes können so geändert werden, dass sie unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen, basierend auf bereitgestellten Codierungsinformationsdaten. Das Verfahren umfasst Bereitstellen von Codierungsinformationsdaten und der Mikrofluidik-Einheit und Codieren der Informationen durch Ändern eines Teilsatzes der Knoten auf Grundlage der bereitgestellten Codierungsinformationsdaten, so dass Knoten des ersten und des zweiten Satzes unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen.
Nun werden durch nicht-beschränkende Beispiele und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Verfahren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, zusammen mit Mikrofluidik-Einheiten beschrieben, auf denen sie beruhen.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht auf eine Mikrofluidik-Einheit mit einer transversalen Kanalkonfiguration und einem programmierbaren Matrixfeld von Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration, wobei die Einheit 3D in Silicium hergestellt ist, wie in Ausführungsformen verwendet;
2 und 3 zeigen eine Draufsicht auf einen 3D-Knoten, welcher, wie in Ausführungsformen, in der Einheit der 1 vorteilhaft verwendet werden kann. Dieser Knoten umfasst Flüssigkeits-Festhaltestrukturen, welche durch Benetzungsmaterial, das richtig in dem Hohlraum des Knotens angeordnet wird, deaktiviert werden können, wie in 3 veranschaulicht, um den Knoten zu aktivieren;
4 ist eine Fotografie (in Graustufen mit hohem Kontrast zu Abbildungszwecken) einer Draufsicht auf eine Prototyp-Einheit mit einer Konfiguration, wie in 1 dargestellt, deren aktivierte Knoten hervorgehoben sind;
5 bis 6 sind 3D-Ansichten, welche mögliche Herstellungsverfahren für Mikrofluidik-Einheiten veranschaulichen, wie sie in Ausführungsformen verwendet werden, wobei die Herstellungsverfahren auf Spritzgießtechniken beruhen;
7A bis 7D zeigen Explosionsansichten von dreischichtigen Einheiten (oder Teilen davon), deren Strömungswege vorteilhaft auf Medien mit Dochteffekt (z.B. Papier) realisiert werden können, wie sie in anderen Ausführungsformen verwendet werden;
8 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Einheit gemäß 7A oder 7B;
9 ist eine Draufsicht auf eine weitere Mikrofluidik-Einheit, welche acht Mikrofluidik-Module umfasst, die in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration verbunden sind, wie in Ausführungsformen verwendet;
10 ist eine Draufsicht auf eine Variante für den Knoten der 2, wobei der Knoten in zwei Verteilungskanäle abzweigt, wie in Ausführungsformen verwendet;
11 zeigt schematisch Einheiten, welche m Module (m = 2, 3, ..., 36) mit darin ausgebildeten optisch auslesbaren Medien umfassen, wobei die Medien Punkte von Materialien umfassen, die überall in den Modulen angeordnet sind, wie in Ausführungsformen verwendet;
12 bis 14 zeigen optisch auslesbare Medien, welche ein verstecktes Muster umfassen. 12 veranschaulicht, wie ein Muster von nicht-sichtbaren Punkten durch zusätzliche lösliche Punkte in einem allgemeinen Muster versteckt werden kann. Die löslichen Punkte werden aufgelöst und durch Flüssigkeit weggespült, die den Strömungsweg eines Moduls benetzt, in welchem das Muster angeordnet ist, wie in Ausführungsformen. 13 zeigt eine Sequenz von Screenshots, die für ein einzelnes Modul aufgenommen sind, während es in einer tatsächlichen Einheit arbeitet, wie in Ausführungsformen. 14 veranschaulicht zurückbleibende Muster von nicht-löslichen Punkten, die in verschiedenen Modulen erscheinen;
15 ist ein Ablaufplan, welcher übergeordnete Schritte eines Verfahrens zum Decodieren von Informationen, die insbesondere in Rückstandsmustern von nicht-löslichen Punkten codiert sind, wie in 14, gemäß Ausführungsformen veranschaulicht;
16 zeigt einen anderen Ablaufplan, welcher übergeordnete Schritte eines Verfahrens zum Codieren von Informationen mittels optisch auslesbarer Medien, wie in 14, gemäß Ausführungsformen veranschaulicht; und
17A bis 17F veranschaulichen eine einfachere Variante der 14, gemäß welcher ein dynamisches Muster optisch ausgelesen wird, indem eine Änderung eines optischen Kontrasts in Mikrofluidik-Modulen einer Einheit erfasst wird, die eine ähnliche wie die der 1 ist, bewirkt durch eine Flüssigkeit, die durch eine programmierte Sequenz der Module gelangt.

Die begleitenden Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von Einheiten oder Teilen davon, wie in Ausführungsformen verwendet. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen abgebildet sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Ähnlichen oder funktionell ähnlichen Elementen sind in den Figuren die gleichen Bezugszahlen zugeordnet worden, sofern nicht anders angegeben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zu Zwecken der Beschreibung und Veranschaulichung beanspruchter Strukturen und Verfahren, die in verschiedenen Formen verkörpert sein können, werden hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart und sollen in keiner Weise erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Dem Fachmann werden viele Modifikationen und Variationen ersichtlich sein, ohne vom Umfang und von der Idee der offenbarten Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der einen oder der mehreren Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt befindlichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder um anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen. Wie beschrieben, können Einzelheiten wohlbekannter Merkmale und Techniken weggelassen sein, um zu vermeiden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unnötig verschleiert werden.
Bezugnahmen in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „eine beispielhafte Ausführungsform“ oder dergleichen zeigen an, dass die beschriebene Ausführungsform ein oder mehrere spezielle Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften umfassen kann, es versteht sich jedoch, dass solche speziellen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in jeder offenbarten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hierin gemeinsam vorliegen können oder nicht. Überdies müssen sich solche Ausdrücke nicht notwendigerweise auf eine spezielle Ausführungsform als solche beziehen. Daher wird unterbreitet, dass, wenn in Verbindung mit einer Ausführungsform ein(e) oder mehrere spezielle Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften beschrieben werden, der Fachmann in der Lage ist, solche ein(e) oder mehreren Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zu realisieren, wo anwendbar, ob ausdrücklich beschrieben oder nicht.
Bei der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung kann auf „jedes“ Element in einem Satz Bezug genommen werden (z.B. „jeder zusätzliche Satz von m Knoten zweigt von einem gegebenen der Ausgabe-Mikrokanäle ab...“); es sei angemerkt, dass die Verwendung des Wortes „jedes“ lediglich Zwecken der Veranschaulichung dient und dass Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung von weniger als jedem beschriebenen Element ausgeführt werden können, wie in den Ansprüchen angegeben.
Um die Offenbarung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht zu verschleiern, kann die folgende detaillierte Beschreibung bestimmte Verarbeitungsschritte oder Operationen enthalten, die auf dem Fachgebiet bekannt sind und zu Zwecken der klaren Beschreibung und Veranschaulichung kombiniert worden sein können. In einigen Fällen sind bestimmte Verfahrensschritte oder Operationen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, möglicherweise nicht detailliert beschrieben oder gar nicht beschrieben. Es versteht sich, dass sich die folgende Offenbarung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hauptsächlich auf unterscheidbare Elemente, Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften davon konzentriert.
Die folgende detaillierte Beschreibung ist wie folgt strukturiert. Zunächst werden in Abschnitt 1 allgemeine Prinzipien der Erfindung beschrieben. Im Abschnitt 2 werden Einheiten beschrieben, die verwendet werden können, um Verfahren gemäß Ausführungsformen zu realisieren. Spezielle Ausführungsformen werden im Abschnitt 3 beschrieben.
Im Folgenden wird für Bezugszahlen gelegentlich eine Kurznotation verwendet. Beispielsweise kann statt der Bezugszahlen 120, ..., 620 die Notation „k20“ verwendet werden, wobei k = 1, ..., 6. Somit umfasst die Notation „k20“ insbesondere die Bezugszahlen 120, 420 und 620, welche zu Mikrofluidik-Knoten verschiedener Mikrofluidik-Einheiten 1, 4 und 6 gehören, die in 1, 7 bzw. 10 abgebildet sind.
Allgemeine Prinzipien
Zunächst wird eine Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, welche ein Verfahren zum optischen Auslesen von Informationen betrifft, die in einer Mikrofluidik-Einheit k codiert sind.
Mikrofluidik-Einheiten k (k = 1, ..., 6), wie in den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet, umfassen Mikrokanäle und andere Mikrofluidik-Elemente, welche mindestens eine charakteristische Abmessung (z.B. Breite oder Tiefe) aufweisen, die im Mikrometerbereich liegt, d.h. typischerweise 1 µm bis 100 µm beträgt. Dennoch können einige spezielle Strukturen solcher Einheiten im Nanomaßstabsbereich oder im Millimeterbereich liegen. Im Allgemeinen können die Einheiten als ganze typischerweise zum Beispiel im Zentimeterbereich liegen.
Solche Einheiten k umfassen einen Eingabe-Mikrokanal k10 und mindestens zwei Mikrofluidik-Module k4/. Die Einheiten umfassen ferner Mikrofluidik-Knoten k20, welche in zwei Sätze partitioniert sein können, d.h. einen ersten Satz und einen zweiten Satz von Knoten. Jeder Satz umfasst mindestens zwei Knoten.
Jeder Knoten des ersten Satzes verbindet den Eingabe-Mikrokanal k10 mit einem entsprechenden der mindestens zwei Mikrofluidik-Module k4/. Jeder dieser Knoten zweigt von dem Eingabe-Mikrokanal k10 ab und zweigt ferner zu einem entsprechenden der Module ab, z.B. über einen Verteilungs-Mikrokanal k3/. Somit können Knoten des ersten Satzes eine potenzielle Fluidkommunikation von dem Eingabe-Mikrokanal zu dem Modul sicherstellen, zu dem sie abzweigen.
Jeder Knoten des zweiten Satzes verbindet ein entsprechendes geordnetes Paar von zwei der mindestens zwei Mikrofluidik-Modulen k4/, um potenziell zu ermöglichen, dass eine Flüssigkeit durch gegebene geordnete Paare von Modulen gelangt.
Nun weisen die Knoten k20 in jedem Knoten des ersten Satzes und des zweiten Satzes von Knoten unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten auf. Entsprechend variiert das Ausmaß, in dem eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch geordnete Paare von Mikrofluidik-Modulen gelangt, entsprechend den unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten des ersten Satzes und des zweiten Satzes. Mit anderen Worten, die unterschiedlichen Festhaltefähigkeiten der Knoten bestimmen die Reihenfolge, in welcher Flüssigkeit die Module erreicht, d.h. die Reihenfolge, in welcher die Module aktiviert werden.
Die unterschiedlichen Festhaltefähigkeiten der Knoten resultieren aus der Tatsache, dass die Knoten geändert werden können, wie nachstehend detailliert beschrieben wird. Somit hängen die effektiven Verbindungen, die von der Einheit ermöglicht werden, von den Änderungszuständen der Knoten ab. Dass die Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten veränderbar sein können, bedeutet, dass die Einheit konfigurierbar ist. Mit anderen Worten, die Tatsache, dass Knoten geändert werden können, ermöglicht, dass der Mikrofluidik-Kreislauf auf Grundlage der Änderungszustände der Knoten konfiguriert werden kann. Das heißt, der Mikrofluidik-Kreislauf kann durch geeignetes Programmieren der Knoten programmiert werden. Als ein Ergebnis können die Mikrofluidik-Module k4/ effektiv so verbunden werden, dass Flüssigkeit, die anfänglich in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch eine programmierte Sequenz der Module geführt werden kann.
Unter der Annahme, dass eine Gesamtzahl an Modulen, m, größer als 2 ist, d.h. m > 2, müssen in der Praxis nicht notwendigerweise alle Module der Gesamtzahl an Modulen der Einheit von Flüssigkeit erreicht werden. Das heißt, die Module können nach einer bestimmten Zeit oder sogar gar nicht von Flüssigkeit benetzt werden, was von einer tatsächlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeit jedes der Knoten abhängt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden jedoch im Ergebnis mindestens zwei der Module in einer gegebenen Reihenfolge (gemäß der Programmierung der Knoten) von Flüssigkeit erreicht, so dass ein dynamisches Muster von Flüssigkeit ermöglicht wird, die diese Module füllt.
Entsprechend wird im Betrieb Flüssigkeit in den Eingabe-Mikrokanal k10 gefüllt. Die eingegebene Flüssigkeit erreicht dann dank Knoten des ersten Satzes eines oder jedes der mindestens zwei Module der Einheit k. Dann erreicht Flüssigkeit ein anderes oder sogar jedes andere der mindestens zwei Module, in dem Ausmaß, wie es durch die Festhaltefähigkeit der Knoten k20 des zweiten Satzes zugelassen wird. Als ein Ergebnis kann Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module k4/ gelangen. Die Reihenfolge, in welcher Flüssigkeit die Module erreicht, wird jedoch durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten k20 jedes des ersten und des zweiten Satzes bestimmt.
Somit können Informationen, die in der Mikrofluidik-Einheit codiert sind, durch optisches Auslesen eines dynamischen Musters erfasst werden, das durch die Flüssigkeit bewirkt wird, wenn die Flüssigkeit die wirksam verbundenen Module erreicht. Dieses Muster entsteht dynamisch aufgrund der Reihenfolge, in welcher Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module k4/ gelangt.
Dieser Ansatz ermöglicht, dass dynamische Informationen codiert und für eine anschließende Decodierung optisch ausgelesen werden. Dank konfigurierbarer Knoten der Einheit k kann die Reihenfolge, in welcher Module aktiviert werden, programmiert werden, was wiederum genutzt werden kann, um einen dynamischen Code auf der Einheit zu codieren.
Zumindest spiegeln sich die codierten Informationen in der Reihenfolge wider, in welcher die Module aktiviert werden, wie in 17A bis 17F veranschaulicht. In weiter entwickelten Ausführungsformen umfassen speziell dafür vorgesehene Module optisch auslesbare Medien, welche entsprechende Schlüssel codieren, wie in 14. Die Schlüssel können beispielsweise in Kammern der Mikrofluidik-Module k4/ aufgebracht sein. Auf diese Weise kann die Sequenz, in welcher die Code-Teile erscheinen/verschwinden, programmiert werden.
In allen Fällen weisen die codierten Informationen eine spezielle Signatur einer zeitlichen Entwicklung auf. Die Erfassung dieser speziellen Signatur der zeitlichen Entwicklung kann hier genutzt werden, um z.B. eine richtige Arbeitsweise der Einheit zu prüfen, um zusätzliche Informationen über den experimentellen Kontext der Erfahrung zu liefern, und zu Sicherheitszwecken.
Im Folgenden werden hauptsächlich Sicherheitsanwendungen verfolgt. In der Tat ist, da in der programmierten Funktion der Einheit dynamische Informationen codiert werden können, diese schwieriger nachzuahmen oder zu fälschen. Ausführungsformen der Erfindung können somit in geeigneter Weise angewendet werden, um die Verwendung von falschen oder gefälschten Einheiten zu verhindern oder zu erfassen oder betrügerische Einheiten zu signalisieren, umfassend z.B. Testeinheiten, welche bereits benutzt worden sind oder gefälscht wurden. Die Signatur der zeitlichen Entwicklung bringt eine zusätzliche Sicherheitsstufe im Vergleich zu statischen Codes oder gar keinem Code (wie es gewöhnlich für Mikrofluidik-Einheiten und speziell für Schnelltesteinheiten der Fall ist), da sich die Anzahl der Teile des Codes gemäß Zeitsequenzen ändert, die durch die programmierbaren Knoten bestimmt werden.
Die Mikrofluidik-Merkmale, die benötigt werden, um diese zusätzliche Sicherheitsstufe zu realisieren, erhöhen die Herstellungskosten nicht signifikant. Sie machen es jedoch viel schwieriger, solche Merkmale zu fälschen oder an dem durch diese Merkmale realisierten Code ein Reverse Engineering durchzuführen.
Die Zeitsignatur kann ferner verwendet werden, um einfach einen richtigen Betrieb der Einheit zu überprüfen. Z.B. ist mit einem richtigen Funktionieren der Einheit eine bestimmte Sequenz verbunden, d.h. eine bestimmte Reihenfolge des Füllens der Module. Diese richtige Reihenfolge kann zum Beispiel auf einer beliebigen geeigneten Kennung der Einheit (oder des Typs der Einheit) codiert sein, z.B. in einem statischen Code (wie einem Balkencode), der damit geliefert wird, oder in der begleitenden Dokumentation.
Außerdem können andere Informationen codiert werden, welche nicht notwendigerweise oder nicht hauptsächlich für Sicherheitsanwendungen oder zu Prüfzwecken vorgesehen sind. Beispielsweise können Informationen über den Kontext des Tests, den zeitlichen Ablauf, die Temperatur usw. erfasst werden, wobei diese Informationen als Nächstes verwendet werden, um ein Ergebnis des Tests zu interpretieren. Beispielsweise können Flecken, die in den Modulen aufgebracht werden, einen temperaturempfindlichen Indikator umfassen.
Überdies können die programmierbaren Knoten genutzt werden, um die Einheit zu funktionalisieren und anwendungsspezifisch auszugestalten. Das heißt, es kann eine allgemeine Mikrofluidik-Schablone hergestellt werden, welche eine Anzahl von Modulen umfassen kann. Es muss jedoch für eine bestimmte Anwendung nur ein Teilsatz dieser Module aktiviert werden. Ferner ist vorhersehbar, dass eine Mehrzweckschablone für Mikrofluidik-Einheiten entworfen und in Massenproduktion hergestellt werden kann, um beträchtliche Kosteneinsparungen zu ermöglichen.
Der vorliegende Ansatz beruht auf einem Erfassen dynamischer Muster, die durch eine Flüssigkeit bewirkt werden, welche Mikrofluidik-Module in einer gegebenen Reihenfolge füllt, bestimmt durch die Festhaltefähigkeiten der Mikrofluidik-Knoten. Dies kann genutzt werden, um Informationen zu decodieren, die auf der Einheit codiert sind. Entsprechend werden im Abschnitt 3.3 Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, welche Decodierungsverfahren betreffen.
Eine weitere verwandte Erscheinungsform der Erfindung betrifft Verfahren zum Codieren von Informationen in einer Mikrofluidik-Einheit. Das heißt, basierend auf bestimmten Codierungsinformationsdaten kann ein Teilsatz der Knoten k20 geändert werden, um zu ermöglichen, dass die Knoten sowohl im ersten als auch im zweiten Satz unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen. Solche Verfahren werden im Abschnitt 3.4 detailliert beschrieben.
Mikrofluidik-Einheiten
Die Einheiten werden vorzugsweise auf verschiedenen parallelen Niveaus gebildet, welche ein erstes Niveau und ein zweites Niveau umfassen. Ein Niveau ist eine Unterteilung der Einheit, d.h. ein Abschnitt parallel zu ihrer Hauptebene. Unter der Annahme, dass es sich bei der Mikrofluidik-Einheit annähernd um ein Parallelepiped-Volumen handelt, kann ein gegebenes Niveau als ein Parallelepiped-Abschnitt dieses Volumens angesehen werden. Das heißt, wenn die Einheit N Niveaus aufweist (N = 2, 3, ...), dann kann die Einheit so angesehen werden, dass sie in einen Parallelepiped-Eingrenzungskasten der Höhe h passt, welcher in N benachbarte Volumenabschnitte der Höhe h_i partitioniert werden kann, so dass Σ h_i = h. Komponenten dieser Einheit erstrecken sich dann im Wesentlichen innerhalb eines oder innerhalb eines anderen dieser Volumenabschnitte, d.h. auf einem Niveau oder auf einem anderen.
Knotenarchitektur
Eine bevorzugte Knotenarchitektur ist die folgende: bei einem gegebenen ersten Mikrokanal k10, k1l, definiert auf einem ersten Niveau der Einheit, und einem zweiten Mikrokanal k3l, definiert auf einem zweiten Niveau der Einheit, verbindet ein Knoten k20 den ersten und den zweiten Kanal, so dass eine potenzielle Fluidkommunikation zwischen den beiden Kanälen ermöglicht wird. Die Einheiten der vorliegenden Erfindung umfassen in der Praxis eine Mehrzahl von Kanälen und eine Mehrzahl von Knoten, wie in 1, 4 bis 9 beispielhaft dargestellt.
Einer oder mehrere, vorzugsweise alle, der Verbindungsknoten der Einheiten k sind als Knoten mit mehreren Niveaus k20 konfiguriert, welche wie folgt strukturiert sind. Ein Knoten mit mehreren Niveaus umfasst: einen Einlaufanschluss k21, einen Hohlraum k23, eine Durchlassöffnung k24 und einen Auslaufanschluss k25. Wie in 2, 3 oder 7C und 7D zu sehen, sind der Einlaufanschluss k21 und der Hohlraum k23 auf dem ersten Niveau der Einheit k ausgebildet, wobei der Hohlraum k23 oben offen ist. Der Einlaufanschluss k21 zweigt von einem ersten Kanal ab, d.h. vom Eingabe-Mikrokanal k10 oder einem der Ausgabe-Mikrokanäle k1/. Dieser Anschluss kommuniziert durch einen Zugang des Hohlraums k23 mit selbigem. Der Auslaufanschluss k25 zweigt zu einem zweiten Kanal auf dem zweiten Niveau ab. Wie in 1, 4 bis 8 dargestellt, ist der zweite Kanal ein Verteilungs-Mikrokanal k3/, welcher zu einem entsprechenden Modul k3/ abzweigt.
Als Nächstes erstreckt sich die Durchlassöffnung k24 von dem Hohlraum k23 zu dem Einlaufanschluss k21, um zu ermöglichen, dass der Hohlraum k23 mit dem Auslaufanschluss k25 kommuniziert. Die Durchlassöffnung k24 kann sich senkrecht zwischen einer mittleren Ebene des ersten Niveaus und einer mittleren Ebene des zweiten Niveaus erstrecken, d.h. innerhalb einer Zwischenebene, die zwischen dem ersten und dem zweiten Niveau der Einheit positioniert ist. Der Auslaufanschluss k25 kann eine eher komplexe Struktur aufweisen (wie in 2, 3 und 10) oder er kann in Varianten lediglich eine Mündung sein, welche einen unteren Teil der Durchlassöffnung k24 begrenzt (wie in 7A bis 7D).
Außerdem umfasst der Hohlraum k23 ein Flüssigkeitssperrelement k22 oder ist auf andere Weise dadurch abgeschlossen. Dieses Element ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass es verhindert, dass eine wässrige Flüssigkeit, welche den Einlaufanschluss k21 füllt, den Auslaufanschluss k25 des Knotens erreicht.
Dass der Hohlraum k23 oben offen ist, macht es einfacher, ihn herzustellen; es ist zum Beispiel ausreichend, den Hohlraum 123 und den Eingabe-Mikrokanal 110 (1 bis 3) durch Ätzen der oberen Dicke eines Silicium(Si)-Substrats herzustellen, wie in dem Beispiel der 1. Außerdem macht dies den Hohlraum einfach von oben zugänglich, was Operationen vereinfacht, die erforderlich sind, um das Sperrelement zu ändern, wie in Ausführungsformen. Man kann beispielsweise ein Benetzungsmaterial 129 auftragen, wie in 3, oder das Flüssigkeitssperrelement 122 (vor dem Abdecken der Einheit) von oben entfernen (oder auf andere Weise ändern), um die Festhaltefähigkeit des Knotens zu verringern. Wenn lediglich ein binärer Schalter gewünscht wird, kann das Sperrelement so geändert werden, dass lediglich der Hohlraum 123 aktiviert und eine Flüssigkeitszirkulation dort hindurch ermöglicht wird. Letztendlich ermöglicht dies, dass eine wässrige Flüssigkeit in den Hohlraum k23 eintritt und dann den Auslaufanschluss k25 des Knotens k20 erreicht.
Auf diese Weise wird ein änderbarer (z.B. aktivierbarer oder deaktivierbarer) Knoten mit mehreren Niveaus erreicht, welcher eine potenzielle Fluidverbindung zwischen einem ersten Kanal auf einem ersten Niveau der Einheit (z.B. auf einer Seite eines Mikrofluidik-Chips ausgehöhlt) und einem zweiten Kanal auf einem zweiten Niveau der Einheit (z.B. auf der anderen Seite des Chips ausgehöhlt) ermöglicht. Außerdem kann der Knoten so geändert werden, dass eine Festhaltefähigkeit des Knotens geändert wird. Schließlich wird es dadurch möglich, ein 3D-Mikrofluidik-Kreislauf auf Grundlage des Änderungszustands des Sperrelements (der Sperrelemente) des Hohlraums k23 zu konfigurieren (und möglicherweise zu rekonfigurieren).
Eine solche Knotenstruktur ist für eine Verwendung in einem Mikrofluidik-Kreislauf mit mehreren Niveaus geeignet, der mehrere Kanäle umfasst, wie in 1 oder 8 dargestellt. In der Tat ist die Knotenstruktur einfach zu reproduzieren und ermöglicht somit, dass einfach eine Mehrzahl solcher Knoten erhalten wird. Die Struktur solcher Knoten ist besonders geeignet für eine Realisierung in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration, zusammen mit nicht-parallelen Kanälen auf verschiedenen Niveaus der Einheit. Schließlich können solche Knoten vorteilhaft verwendet werden, um die Standfläche der Einheiten zu verringern. Die Standfläche der Einheiten kann in der Tat deutlich verringert werden, indem man nichtparallele Kanäle verwendet, d.h. Kanäle, deren entsprechende Projektionen auf eine Ebene, die das erste Niveau und das zweite Niveau trennt, transversal verlaufen. Solche Kanäle werden hierin im Folgenden als transversale Kanäle bezeichnet, trotz der Tatsache, dass sie sich auf verschiedenen Niveaus befinden. Um dies möglich zu machen und Kurzschlüsse zwischen den Kanälen zu verhindern, erstreckt sich die Durchlassöffnung k24 von dem Hohlraum k23 nach unten zu dem Auslaufanschluss k25, wie in 2, 3, 7C und 7D zu sehen.
Das heißt, die Durchlassöffnung erstreckt sich durch ein Zwischenniveau der Einheit zwischen dem ersten Niveau und dem zweiten Niveau. Solche Einheiten können daher so angesehen werden, dass sie mindestens drei Niveaus umfassen.
Ferner erstreckt sich eine Durchlassöffnung vorzugsweise von einer unteren Seite des Hohlraums k23 (gegenüber seiner oberen Seite) nach unten zu dem Auslaufanschluss k25, um die Herstellung zu vereinfachen. In der Tat reicht es aus, die Durchlassöffnungen von der unteren Seite der Hohlräume zu öffnen.
Erst recht vereinfacht das Einrichten eines Zwischenniveaus zwischen äußeren Niveaus den Entwurf von Einheiten mit transversalen Kanälen, da dieses Zwischenniveau Kurzschlüsse zwischen den transversalen Kanälen am Kreuzungspunkt verhindert. Das heißt, das Zwischenniveau erstreckt sich zwischen äußeren Niveaus, auf welchen die Kanäle k10, k1l und k3l vorgesehen sind. Da die transversalen Kanäle typischerweise auf ihren entsprechenden Niveaus oben offen sind (sie können zum Beispiel geätzt, ausgehöhlt oder auf andere Weise auf den oberen Dicken einer Materialschicht gebildet werden), macht es das Zwischenniveau möglich, die Kanäle zu schließen, die auf einem unteren Niveau definiert sind, und Kurzschlüsse mit Kanälen zu verhindern, die auf dem oberen Niveau definiert sind.
Einheitsarchitekturen
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele von Mikrofluidik-Einheiten beschrieben, welche auf einer Knotenstruktur beruhen, wie im Abschnitt 2.1 beschrieben, und flexibel konfiguriert werden können (d.h. so programmiert werden können, dass spezielle Module in einer gegebenen Reihenfolge aktiviert werden).
Solche Einheiten k weisen typischerweise die folgende Konfiguration auf: sie umfassen einen Eingabe-Mikrokanal k10, einen Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen k3l, einen Satz von m Mikrofluidik-Modulen k4l und einen ersten Satz von m Knoten k20, wobei m ≥ 2. Die m Mikrofluidik-Module k4l stehen entsprechend in Fluidkommunikation mit den m Verteilungs-Mikrokanälen k3l.
In der vorliegenden Beschreibung beziehen sich Ausdrücke wie „Fluidkommunikation“, „in Fluidkommunikation mit“ oder „fluidverbunden mit“ auf ein und dasselbe Konzept, wobei einer Flüssigkeit ermöglicht wird, durch eine Passage, einen Kanal, eine Durchlassöffnung oder irgendeine andere geeignet ausgestaltete Verbindung von einer Komponente zur anderen zu gelangen. Wenn nun auf dem Fluidweg ein Mikrofluidik-Knoten, wie oben beschrieben, zwischengeschaltet ist, dann liegt potenziell eine „Fluidkommunikation“ (oder „Fluidverbindung“) vor. Jedoch hängt das Ausmaß, in dem eine Fluidkommunikation ermöglicht ist, vom Änderungszustand des Knotens und dessen resultierender Festhaltefähigkeit ab, wie nachstehend beschrieben.
Die m Knoten k20 des ersten Satzes zweigen jeweils von dem Eingabe-Mikrokanal k10 ab und zweigen ferner zu einem entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle k3/ ab. Somit kann ein Knoten k20 potenziell eine Fluidkommunikation von dem Eingabe-Mikrokanal zu dem Verteilungs-Mikrokanal sicherstellen, zu dem er abzweigt. Man beachte, dass das Umgekehrte nicht zwingend zutrifft, da die Knoten vorzugsweise unidirektional sind, wie nachstehend beschrieben.
Beispielsweise ist m = 4 in 1, in welcher vier Mikrofluidik-Module 141 bis 144 abgebildet sind, die jeweils entsprechend durch vier Verteilungskanäle 131 bis 134 verbunden sind. Jedes der vier Mikrofluidik-Module 141 bis 144 verbindet entsprechend weiter zu vier Ausgabekanälen 111 bis 114. In 1 entspricht der erste Satz von Knoten dem oberen (horizontalen) Satz von m Knoten, welche jeweils von dem Eingabekanal 110 abzweigen und weiter in entsprechende Verteilungskanäle 131 bis 134 abzweigen. Wie außerdem in 1 zu sehen, umfasst die Einheit ferner zusätzliche (horizontale) Sätze von Knoten unterhalb des ersten (oberen) Satzes. Der durch die zusätzlichen Sätze von Knoten gebildete Obersatz wird als ein „zweiter Satz“ von Knoten bezeichnet.
Wie ferner in 1 bis 3 veranschaulicht, kann der Eingabe-Mikrokanal k10 beispielsweise m Verbindungsstellen 110J umfassen und jeder der m Knoten des ersten Satzes kann an einem entsprechenden der m Verbindungsstellen 110J von dem Eingabe-Mikrokanal 110 abzweigen. In ähnlicher Weise zweigen Knoten jedes zusätzlichen Satzes an einer gegebenen Verbindungsstelle 11/J (mit 1 = 1, ..., 4) von einem Ausgabekanal 11/ ab.
Es können verschiedene Typen von Knoten vorgesehen sein, welche geändert werden können, um die Fluidverbindung zu modulieren. Die Knoten sind jedoch vorzugsweise alle funktionell ähnlich, wenn nicht identisch (in Abhängigkeit von ihren Änderungszuständen).
Die Mikrofluidik-Einheiten k können funktionalisiert (und so anwendungsspezifisch ausgestaltet werden), indem einige ihrer Knoten geändert werden. Nach der Funktionalisierung wird ein Teilsatz, werden aber nicht alle, der Knoten k20 im Vergleich zu den restlichen Knoten ihrer entsprechenden Sätze geändert. Aufgrund dieser Änderung zeigen die Knoten k20 sowohl im ersten Satz als auch im zweiten Satz verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten.
Als ein Ergebnis der Änderung der Knoten des ersten Satzes kann das Ausmaß, in dem Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal k10 eingeführt wird, eines oder mehrere der m Mikrofluidik-Module k4/ erreichen kann, entsprechend ebenfalls variieren. Somit hängt das Ausmaß, in welchem ein solcher Knoten im Ergebnis einer Flüssigkeit ermöglicht, von dem Eingabe-Mikrokanal zu einem nachgeschalteten Modul zu gelangen, vom Änderungszustand dieses Knotens ab. Als ein Ergebnis können in Abhängigkeit von den Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten des ersten Satzes die nachgeschalteten Mikrofluidik-Module k4/ z.B. nach einer mehr oder weniger langen Zeitperiode kontaktiert werden (d.h. von Flüssigkeit benetzt werden, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird) oder möglicherweise gar nicht kontaktiert werden.
Ähnliche Erwägungen gelten für Knoten des zweiten Satzes und insbesondere für Knoten in jedem der m zusätzlichen Sätze, welche potenziell ermöglichen, dass Flüssigkeit von einem Modul zu einem anderen gelangt. Wie zu erkennen ist, ermöglicht dies, eine Mikrofluidik-Einheit zu programmieren.
Schließlich machen es bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung möglich, dass Knoten während einer letzten Stufe der Herstellung geändert oder sogar rekonfiguriert werden (um zu ermöglichen, dass die Einheit umprogrammierbar ist). Somit kann es sein, dass in einer Zwischenstufe der Herstellung noch keiner der Knoten der Einheit geändert ist. Wir wissen jedoch, dass, wenn keiner der Knoten geändert ist oder wenn die Knoten alle in ähnlicher Weise geändert sind, die Knoten dann typischerweise alle die gleiche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeit aufweisen und keine spezielle Funktionalisierung der Einheit erhalten wird. Stattdessen führt die Programmierung der Einheit typischerweise dazu, dass in jedem der Sätze von Knoten nur ein Teilsatz der Knoten geändert ist (oder zumindest die Knoten jedes Satzes nicht alle in einer ähnlichen Weise geändert sind), um die Flüssigkeitsdynamik durch die Module zu differenzieren und somit die Mikrofluidik-Einheit zu funktionalisieren und anwendungsspezifisch auszugestalten.
In einfachsten Ausführungsformen werden die Knoten so geändert, dass sie auf zweierlei Weise arbeiten können, z.B. wie bei Schaltern, welche die Flüssigkeit hindurchlassen können oder nicht. In diesem Fall können die Mikrofluidik-Knoten mit Transistorschaltern oder Logikgattern verglichen werden. Das heißt, die Knoten k20 können so konfiguriert werden, dass sie entweder eine Flüssigkeit bei sich festhalten oder eine Flüssigkeit durchlassen. Außerdem kann ein Knoten so ausgestaltet sein, dass er „normalerweise EIN“ ist und somit geändert werden muss, um auf AUS geschaltet zu werden, oder ein Knoten kann umgekehrt so ausgestaltet sein, dass er „normalerweise AUS“ ist und somit geändert wird, um auf EIN geschaltet zu werden. In Varianten können die Knoten k20 geändert werden, um verschiedene Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeiten durch sie hindurch zu ermöglichen, so dass eine Flüssigkeit die Module im Ergebnis zu verschiedenen Zeiten erreicht.
Außerdem können die Mikrofluidik-Kreisläufe festcodiert sein, d.h. dass die Knoten in nichtrekonfigurierbarer Weise geändert werden. In Ausführungsformen können die Mikrofluidik-Einheiten jedoch zumindest teilweise rekonfigurierbar bleiben.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann man idealerweise auf einen komplexen Mikrofluidik-Kreislauf zurückgreifen wollen, z.B. wie bei einem, der eine Mehrzahl funktionell verschiedener Module umfasst, welche ermöglichen, dass die Einheit so programmiert wird, dass überall in den Modulen eine beliebige Fluidsequenz ermöglicht wird. Dies kann jedoch typischerweise zu einer sehr komplexen Architektur und zu großen Standflächen der Einheiten führen. Daher ist es von bedeutendem Vorteil, auf eine schalterartige Koordinatenkonfiguration der Knoten zurückzugreifen. Diese ermöglicht nicht nur, die Standfläche der Einheiten zu verringern, sondern sie vereinfacht außerdem die Programmierung der Knoten. Um dies zu erreichen, kann eine beste Praxis auf transversalen Sätzen von Eingabe/Ausgabe-Kanälen und Verteilungs-Mikrokanälen beruhen.
Um dies möglich zu machen, kann man nun vorteilhafterweise auf eine Einheit mit mehreren Niveaus zurückgreifen, wie in 1, 5 bis 7 dargestellt, wobei verschiedene transversale Sätze von Mikrokanälen auf verschiedenen Niveaus der Einheit vorgesehen sind. Dann kann, um die Kanäle zu verbinden, vorzugsweise auf 3D-Knoten zurückgegriffen werden, wie oben beschrieben, d.h. wie bei jenen, die einen Einlauf aufweisen, der von den verschiedenen Niveaus der Einheit abzweigt, und einen Auslauf, der zu den verschiedenen Niveaus der Einheit abzweigt.
Auf diese Weise können komplexe Architekturen nicht-paralleler Mikrokanäle erreicht werden, welche konfigurierbar (und möglicherweise rekonfigurierbar) sind und welche auf einer gleichen anfänglichen Mikrofluidik-Schablone basieren. Einmal anwendungsspezifisch ausgestaltet, wird oder bleibt typischerweise nur ein Teilsatz der Mikrofluidik-Module aktiviert. Allgemeiner können die verschiedenen Module zu verschiedenen Zeiten aktiviert werden, wobei angemerkt sei, dass deaktivierte oder nicht aktivierte Module als Module angesehen werden können, die nach einer unendlichen Zeitdauer, nachdem eine Flüssigkeit anfänglich in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wurde, aktiviert werden. Anders ausgedrückt, die Zeit, zu der ein Modul aktiviert (d.h. von der Flüssigkeit erreicht) wird, hängt von den Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der damit verbundenen Knoten ab.
Außerdem ist es dank der Knoten des zweiten Satzes möglich, die Module zu verbinden, um Sequenzen von Modulen in einer gegebenen Reihenfolge von Modulen zu ermöglichen, die von einer Flüssigkeit erreicht werden. Das heißt, derselbe Eingabestrom kann ein gegebenes der Module nach einem anderen gegebenen der Module erreichen usw.
Wie zu erkennen ist, bietet dies bedeutende Vorteile für die Herstellung, insofern, als eine Mehrzweckschablone für Mikrofluidik-Einheiten entworfen werden kann, welche mehrere potenzielle Anwendungen ermöglicht (z.B. Fluidreaktion, Fluidvermischung, optische Erfassung usw.), für welche nur ein Teilsatz der Module aktiviert werden muss, und dies gemäß einer gegebenen Reihenfolge. Dies wird dank geeigneter Knotenarchitekturen und geeignet geänderten Knoten erreicht, wie hierin beschrieben. Schließlich sind, da dieselbe Mehrzweckschablone für Mikrofluidik-Einheiten entworfen und in Massenproduktion hergestellt werden kann, merkliche Kosteneinsparungen abzusehen.
Der zweite Satz von Knoten umfasst vorzugsweise m Teilsätze von jeweils m Knoten k20, welche m zusätzliche Sätze von m Knoten k20 zusätzlich zu dem ersten Satz von m Knoten k20 bilden, wie oben beschrieben. Zusammen ermöglichen die m zusätzlichen Sätze von m Knoten k20, dass Flüssigkeit potenziell durch gegebene geordnete Paare von Modulen gelangt. In jedem der Beispiele der 1, 4, 8 und 9 entspricht der erste Satz von m Knoten dem oberen horizontalen Satz von Knoten, die von dem Eingabe-Mikrokanal k10 abzweigen, während der zweite Satz von Knoten den m zusätzlichen Sätzen von jeweils m Knoten k20 entspricht, welche unterhalb des oberen Satzes angeordnet sind (mit m = 4 in 1, 4 und 8 und m = 8 in 9).
Als Nächstes kann eine Einheit k einen Satz von m Ausgabe-Mikrokanälen k1l (l = 1, ..., m) umfassen, die jeweils mit einem Ausgang eines entsprechenden der m Mikrofluidik-Module k4l verbunden sind. Die m Ausgabe-Mikrokanäle sind mit den m zusätzlichen Sätzen von Knoten verbunden. Das heißt, jeder der m Ausgabe-Mikrokanäle k1l zweigt in einen jeweiligen der m Knoten k20 eines entsprechenden der m zusätzlichen Sätze ab. Ferner zweigt jeder Knoten jedes zusätzlichen Satzes in einen entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle k3l ab. Mit anderen Worten, jeder Knoten jedes zusätzlichen Satzes verbindet einen Ausgabekanal k1l mit einem Verteilungskanal k3l.
Beispielsweise verbindet in 1 der erste Knoten in der Ausgabe des oberen Moduls 141 mit dem ersten Verteilungskanal 131, welcher mit demselben Modul 141 verbindet. Der zweite Knoten in der Ausgabe des Moduls 141 verbindet mit dem zweiten Verteilungskanal 132 usw. Das heißt, der l-te Knoten verbindet mit dem l-ten Verteilungskanal. Eine ähnliche Konfiguration wird in 8 und 9 angenommen (wenngleich in 9 die unteren Kanäle versteckt sind). Wie bei diesen Beispielen zu sehen, sind die Verteilungskanäle vorzugsweise geschachtelt, um die Standfläche zu verringern.
Nun werden die zusätzlichen Knoten ebenfalls so geändert, dass sie andere Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten zeigen. Beispielsweise kann ein Teilsatz (das heißt, nicht alle) der m Knoten mindestens eines der m zusätzlichen Sätze im Vergleich zu restlichen Knoten dieses Satzes geändert werden, um zu ermöglichen, dass die Knoten dieses Satzes verschiedene Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen. Als ein Ergebnis gelangt Flüssigkeit, die (anfänglich) in den Eingabe-Mikrokanal k10 eingeführt wird, durch mindestens ein geordnetes Paar der m Mikrofluidik-Module k4/. Die tatsächliche ermöglichte Sequenz wird im Betrieb durch die verschiedenen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten folgender Knoten bestimmt: (i) des ersten Satzes von m Knoten und (ii) des mindestens einen der m zusätzlichen Sätze. Natürlich können Knoten in anderen der zusätzlichen Sätze ebenfalls geändert werden, um komplexere Sequenzen zu ermöglichen.
In Ausführungsformen wie jenen in 1, 4, 8, 9 dargestellten umfassen die Einheiten alle m + 1 Sätze von jeweils m Knoten k20 insgesamt, welche dem ersten Satz von m Knoten und dem zweiten Satz entsprechen, der durch die m zusätzlichen Sätze von jeweils m Knoten gebildet wird. Es gibt daher in solchen Fällen insgesamt m × (m + 1) programmierbare Knoten. Jeder dieser Knoten ist vorzugsweise so konfiguriert, dass er eine Flüssigkeit entweder festhält oder durchlässt.
Wie beispielsweise in 1 zu sehen, umfasst jeder Ausgabe-Mikrokanal 11l (l = 1, ..., m) m Verbindungsstellen 11lJ. Jeder zusätzliche Satz von m zweigt auf dem Niveau einer entsprechenden Verbindungsstelle von einem gegebenen der Ausgabe-Mikrokanäle 11l ab. Das heißt, jeder Knoten eines beliebigen der zusätzlichen Sätze zweigt an einem entsprechenden der m Verbindungsstellen 11lJ von einem gegebenen der Ausgabe-Mikrokanäle ab. Eine ähnliche Konfiguration wird in jeder der Einheiten der 4 bis 8 verwendet.
Da jeder Knoten jedes der m zusätzlichen Sätze zu einem entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle k3l abzweigt, können die Knoten als ganze potenziell eine Fluidkommunikation zwischen m² geordneten Paaren der Mikrofluidik-Module k4l ermöglichen, was nachstehend noch erörtert wird.
Die m² geordneten Paare, die potenziell ermöglicht werden können, beruhen auf der Tatsache, dass der Eingabe-Mikrokanal in jeden der m Knoten des ersten Satzes abzweigt, was somit m Möglichkeiten für das erste Modul (d.h. das erste Element der geordneten Paare) ergibt. Nun zweigt der Ausgabe-Mikrokanal jedes Moduls in jeden der m Knoten eines entsprechenden der zusätzlichen Sätze ab, was m Möglichkeiten für das zweite Element der geordneten Paare ergibt, und dies für jedes der m ersten Elemente. Es gibt daher potenziell m² geordnete Paare von Modulen, die in Fluidkommunikation gestellt werden können (was, hinsichtlich der Anzahl an 2-Tupeln eines m-Satzes, als eine Anordnung mit Wiederholung angesehen werden kann).
Nun können die zusätzlichen Knoten ferner so konfiguriert sein, dass sie eine Anzahl an Sequenzen von Modulen ermöglichen, wobei eine Sequenz einem geordneten n-Tupel von Modulen entspricht. Jedoch ist die Anzahl an Anordnungen von Fluidsequenzen, die in der Praxis effektiv ermöglicht werden, typischerweise (viel) kleiner. In der Tat wird jeder Satz von Knoten typischerweise so programmiert, dass er einer dort hindurch gelangenden Flüssigkeit ermöglicht, einen reduzierten Teilsatz der Module (typischerweise höchstens ein Modul) zu erreichen. Außerdem und in Abhängigkeit von den genauen Strukturen des Knotens und der Verteilungskanäle kann es physisch unmöglich sein, dass Flüssigkeit, die von einem gegebenen Modul ausgestoßen wird, später wieder in dasselbe Modul eintritt, trotz des Vorliegens eines Verbindungsknotens, aufgrund des Vorliegens von Flüssigkeit in dem entsprechenden Verteilungskanal.
Wenn man beispielsweise annimmt, dass Flüssigkeit, die von einem Modul ausgestoßen wird, höchstens ein bestimmtes Modul erreichen soll (welches bislang noch nicht benutzt wurde, so dass Flüssigkeit niemals zweimal durch dasselbe Modul gelangt), gibt es m Möglichkeiten für das erste Modul, von Flüssigkeit erreicht zu werden, m - 1 Möglichkeiten für das zweite usw., so dass es insgesamt m! Möglichkeiten von Fluidsequenzen gibt. In der Praxis müssen jedoch nicht alle Module genutzt werden, so dass typischerweise viel einfachere Sequenzen ermöglicht werden.
Beispielsweise sei angenommen, dass für eine gegebene Anwendung im Ergebnis ein Paar von Modulen benötigt wird, z.B. eines für Reaktionszwecke und ein anderes für Erfassungszwecke. In diesem Fall muss ein einzelner Knoten in dem ersten Satz (d.h. dem oberen Satz in 1) aktiviert werden, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeit das Reaktionsmodul erreicht. Als Nächstes muss ein einzelner Knoten in der Ausgabe des Reaktionsmoduls aktiviert werden, um zu ermöglichen, dass Flüssigkeit das Erfassungsmodul erreicht. Somit kann die Sequenz, die dadurch gebildet wird, dass die Flüssigkeit durch dieses Paar von Modulen gelangt, optisch erfasst werden und die entsprechende Zeitsignatur kann decodiert werden, z.B. zu Überprüfungs- oder Sicherheitszwecken.
Als ein anderes Beispiel zeigt 4 eine Fotografie der oberen Schicht einer tatsächlichen Mikrofluidik-Einheit (welche dieselbe Konfiguration wie die Einheit der 1 aufweist), wobei aktivierte Knoten hervorgehoben sind. Die ermöglichte Sequenz ist die folgende:

Der dritte Knoten des oberen Satzes von Knoten ist aktiviert, was eine Fluidverbindung mit dem dritten Verteilungskanal (in 4 nicht sichtbar, entspricht Kanal 133 in 1) ermöglicht und somit im Betrieb Flüssigkeit zu dem dritten Modul 143 bringt. Flüssigkeit, die aus diesem Modul 143 ausgestoßen wird, erreicht den Ausgabekanal 113 und dadurch den dritten zusätzlichen Satz von Knoten, der davon abzweigt;
Im dritten zusätzlichen Satz von Knoten (d.h. im vierten Satz, wenn man die Zählung von oben beginnt): ist nur der erste Knoten aktiviert, was Flüssigkeit zu dem ersten Modul 141 bringt, dann zum Ausgabekanal 111 und zum ersten zusätzlichen Satz von Knoten; und
Im ersten zusätzlichen Satz (unterhalb des oberen Satzes): ist nur der vierte Knoten aktiviert, was Flüssigkeit zu dem vierten Modul 144 bringt;
Im vierten zusätzlichen Satz: ist nur der zweite Knoten aktiviert, so dass Flüssigkeit das zweite Modul 142 erreicht; und
Im zweiten zusätzlichen Satz in der Ausgabe des zweiten Moduls 142 ist keiner der Knoten logisch aktiviert, da dieses Modul das letzte ist, das von Flüssigkeit erreicht wird.

Entsprechend gelangt Flüssigkeit, die anfänglich in den Eingabekanal 110 eingeführt wird, nacheinander durch das dritte Modul, das erste Modul, das vierte Modul und schließlich das zweite Modul. Im Ergebnis wird in diesem Fall eine spezielle Sequenz von vier verschiedenen Modulen ermöglicht und im Ergebnis werden hier alle Module genutzt. In Varianten könnte nur ein Teilsatz der Module genutzt werden, und möglicherweise in einer anderen Reihenfolge. In allen Fällen kann die Sequenz, die dadurch gebildet wird, dass die Flüssigkeit durch die Module gelangt, optisch erfasst werden und die entsprechende Zeitsignatur kann decodiert werden.
Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel der 4 die meisten Knoten nicht aktiviert sind und ein Verteilungskanal höchstens einmal aktiviert ist (der I-te Knoten in jedem Satz höchstens einmal aktiviert ist), um Kurzschlüsse zu vermeiden. Es sei nun angemerkt, dass die Ausgestaltung der Einheit und ihr Betrieb es physisch unmöglich machen können, dass Flüssigkeit wieder in dasselbe Modul eintritt, auch wenn der Verbindungsknoten aktiviert ist. Beispielsweise verhindert die in 1 bis 3 angenommene Ausgestaltung dies. Es sei angenommen, dass das das Modul 141 ermöglicht ist, z.B. durch Aktivierung des ersten Knotens in dem oberen Satz (bezeichnet als der erste aktivierte Knoten). Nun verhindert, auch wenn der erste Knoten in der Ausgabe des Moduls 141 aktiviert ist (bezeichnet als der zweite aktivierte Knoten), um probeweise zu ermöglichen, dass Flüssigkeit über den ersten Verteilungskanal 131 wieder in das Modul 141 eintritt, Flüssigkeit, die aufgrund des ersten aktivierten Knotens bereits den Kanal 131 füllt, die Einführung weiterer Flüssigkeit aus dem zweiten aktivierten Knoten, insbesondere da in diesem Beispiel im Kanal 131 Verengungsventile vorgesehen sind. Somit kann die Einheit so konfiguriert sein, dass Flüssigkeitskurzschlüsse verhindert werden. Wenn jedoch bereits in dem Moment, wenn eine Flüssigkeitsfront wieder in den Kanal 131 eintritt, Flüssigkeit den Kanal 131 verlassen hat, dann kann es möglich sein, dass Flüssigkeit wieder in dasselbe Modul eintritt. Dies erfordert jedoch eine genaue Steuerung von Flüssigkeitssegmenten.
Ob Flüssigkeitskurzschlüsse ermöglicht werden oder nicht, hängt von den genauen Strukturen der Knoten und der Verteilungskanäle ab, z.B. vom möglichen Vorliegen von Abläufen, Ventilen usw. Bemerkenswert ist, dass Flüssigkeitskurzschlüsse vorteilhaft genutzt werden können, um Flüssigkeit in einem gegebenen Modul zu blockieren. Dies kann in einigen Fällen von Nutzen sein, z.B. zu Erfassungszwecken. Im Übrigen ist die Erzeugung von Kurzschlüssen typischerweise kein Problem in Einheiten, die auf Medien mit Dochteffekt realisiert werden, da die Poren letzterer einen Selbstablauf ermöglichen.
Somit können die Einheiten k im Allgemeinen ermöglichen, dass ein Modul in beliebige der Module (d.h. in ein anderes Modul oder sogar in dasselbe Modul) abzweigt, obwohl Kurzschlüsse durch geeignetes Programmieren der Knoten vermieden oder aufgrund von Restflüssigkeit in den Verteilungskanälen und die Konfiguration der Einheit verhindert werden können.
Nun werden in typischen Szenarien keine Kurzschlüsse benötigt. Stattdessen wird die Einheit typischerweise dafür konfiguriert, dass ein gegebenes Modul im Ergebnis in ein bestimmtes Modul abzweigt, welches nicht vor dem gegebenen Modul aktiviert werden soll, wie im Szenario der 4. Mit anderen Worten, die Einheit wird typischerweise so konfiguriert (d.h. programmiert), dass ermöglicht wird, dass eine Sequenz von Modulen nacheinander von Flüssigkeit erreicht wird. Dies spiegelt sich darin wider, dass jeder Verteilungskanal höchstens einmal aktiviert wird, was mögliche Probleme hinsichtlich Flüssigkeitskurzschlüssen ausschließt.
Zusammenfassend ermöglichen Einheiten, wie in 1 bis 9 abgebildet, dass eine Flüssigkeit, die anfänglich in den Eingabe-Mikrokanal k10 eingeführt wird, durch ein oder mehrere geordnete Paare von Modulen gelangt. Somit kann Flüssigkeit durch eine Sequenz verschiedener Module k4l gelangen, wobei eine Sequenz geordnete Paare von Mikrofluidik-Modulen k4l verkettet. In allen Fällen hängen die tatsächlichen Flüssigkeitswege von den Änderungszuständen der m × (m + 1) Knoten ab. Wiederum versteht es sich, dass solche Ausgestaltungen buchstäblich ermöglichen, dass die Mikrofluidik-Module programmiert werden.
Wie bereits angemerkt, sind die Knoten k20 vorzugsweise so konfiguriert, dass sie eine Flüssigkeit entweder festhalten oder durchlassen, d.h. im Ergebnis als ein AUS-EIN-Schalter fungieren. Vorzugsweise sind die Mikrofluidik-Knoten der Einheiten alle funktionell ähnlich, wenn nicht alle identisch (wie in den anhängenden Zeichnungen angenommen), egal, ob sie zu dem ersten (oberen) Satz oder dem zweiten Satz (zusätzlichen, unteren Sätzen) von Knoten gehören. Dies vereinfacht den Entwurf und die Programmierung der Einheit. Nun können Varianten vorgesehen sein, bei welchen sich die Knoten unterscheiden. D.h., einige der Knoten können im Ergebnis als binäre Schalter fungieren, während andere Knoten feiner konfiguriert sein können, um verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten zu ermöglichen, die dort hindurch gelangen, wodurch komplexe Flüssigkeitssequenzen ermöglicht werden.
Außerdem kann ein Knoten zwei (oder mehr) Auslaufanschlüsse aufweisen, wie in 10, so dass ein Modul im Ergebnis in zwei aufeinander folgende Module abzweigen kann, und dies über einen einzelnen Verbindungsknoten. Wie man erkennt, können viele Varianten vorgesehen sein. In allen Fällen können jedoch programmierte Flüssigkeitssequenzen optisch erfasst werden.
Wie in 1, 4 bis 9 dargestellt, umfassen die Mikrofluidik-Einheiten k der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration. Das heißt, solche Einheiten umfassen m + 1 Sätze von m Knoten k20, welche als ein Matrixfeld von m × (m + 1) Knoten, die zwischen einem Einlaufkanal und einem Auslaufkanal angeordnet sind, in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration angeordnet sind. D.h., dieses Matrixfeld ist vorzugsweise rechteckig, so dass ein Matrixfeld von m + 1 erkennbaren Reihen von jeweils m Knoten gebildet wird, wodurch m Spalten gebildet werden, wie in den Beispielen der 1 und 4 bis 9. Jeder Knoten dieses Matrixfelds zweigt von einem horizontalen Kanal in einen vertikalen Kanal ab, genau wie elektronische Koordinatenschalter Schalter an jedem Schnittpunkt einer gekreuzten Struktur von Verbindungsleitungen umfassen. Der Rückgriff auf ein solches Matrixfeld vereinfacht den Entwurf der Einheit und macht sie ferner einfacher programmierbar.
Nun verhindern in den Beispielen der 1 bis 3 die m zusätzlichen Sätze von Knoten k20 und die Verteilungs-Mikrokanäle normalerweise, dass Flüssigkeit, die von einem gegebenen der Module k4/ ausgestoßen wird, später wieder in dasselbe Modul eintritt, wenn angenommen wird, dass kontinuierlich Flüssigkeit in den Eingabekanal k10 eingeführt wird, wie bereits angemerkt. Dies hat jedoch in der Praxis wenig Konsequenzen, da ein Mikrofluidik-Modul typischerweise für eine einmalige Benutzung vorgesehen ist (in einem gegebenen Experiment, ungeachtet der möglichen Wiederverwendung der Einheit). Somit bedeutet dies bei einer Koordinaten-Schaltkonfiguration, wobei Knoten als EIN-AUS-Schalter fungieren (wie in 1 oder 4 angenommen), dass diagonale Knoten in der Praxis wenig Verwendung finden und einfach weggelassen werden könnten.
Deswegen können Ausführungsformen vorgesehen sein, welche eine Koordinatenkonfiguration von m × (m + 1) - m = m² umfassen (d.h., diagonale Knoten werden weggelassen).
In ähnlicher Weise können einige Knotenverbindungen aufgrund von bestimmten Entwurfsoptionen vorab ausgeschlossen werden, z.B. weil es praktisch keinen Sinn macht, spezielle Paare von Modulen potenziell zu verbinden. In dieser Hinsicht weisen die Mikrofluidik-Module typischerweise unterschiedliche Funktionen auf. Der Satz von Mikrofluidik-Modulen kann insbesondere eines oder mehreres aus Folgendem umfassen: eine optische Erfassungskammer (in der Einheit konfiguriert, um eine optische Erfassung zu ermöglichen); eine Fluidmischkammer und eine Reaktionskammer. Jedoch umfassen die Einheiten der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Module (um die Erfassung eines dynamischen Musters zu ermöglichen) und wahrscheinlicher können sie 3, 4, 8 oder noch mehr Module umfassen.
Man betrachte beispielsweise die Mikrofluidik-Schablone der 9, welche acht verschiedene Module umfasst. Der Entwurf der 9 ist ein Versuch einer „universellen“ Mikrofluidik-Plattform, welche (von oben nach unten) drei orthogonale Strömungsmischeinheiten 541 bis 543, zwei Mikrofluidik-Reaktionskammern 544 bis 545 (wie per se bekannt), eine Mischeinheit 546 (wie per se bekannt) und zwei Erfassungsmodule 547 bis 548 (wie ebenfalls per se bekannt) umfasst. Ein solcher Chip kann während des Reagenz-Einfüllungsschritts konfiguriert werden, indem ausgewählt wird, welche Komponenten verwendet werden. Diese Chip-Schablone kann beispielsweise so konfiguriert werden, dass Multiplex-Assays, mehrstufige Reaktionen usw. realisiert werden.
Im Allgemeinen können die orthogonalen Strömungsmischeinheiten zum Beispiel Kanäle umfassen, welche so orientiert sind, dass sie zwei Strömungswege oder Komponenten erzeugen, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben, welche in verschiedene Richtungen verlaufen. Eine erste Strömungskomponente bringt eine Flüssigkeit in die Nähe einer Fläche von Interesse (typischerweise, wo Reagenzien angeordnet sein können). Die zweite Strömungskomponente bringt die Flüssigkeit über diese Fläche. In verschiedenen Ausführungsformen sind die zwei Strömungskomponenten zur Vereinfachung der Entwürfe orthogonal. Entsprechend können zumindest einige der Konzepte der vorliegenden Erfindung (diese Strömungskomponenten, die Art, wie sie Reagenzien lösen und in einer Flüssigkeit verteilen) als „orthogonale Strömungsmischung“ bezeichnet werden.
Für Zwecke optischer Erfassung wird vorzugsweise eine Seite der Einheit (auf welcher sich die Module befinden) von einer lichtdurchlässigen (z.B. transparenten) Abdeckung oder Kappe bedeckt. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall für Einheiten, die auf Medien mit Dochtwirkung realisiert sind, wie z.B. Papier. Nun sind die Knoten vorzugsweise versteckt (sie befinden sich nicht unter einem transparenten Fenster). Auf diese Weise kann ein Benutzer nach visueller Betrachtung nicht abschätzen, welche der Module aktiviert sind. In ähnlicher Weise können die hinteren Kanäle (Verteilungskanäle) versteckt sein. Ein böswilliger Benutzer kann somit den richtigen Zeitsignatur-Code nicht vorhersehen und fälschen.
In Varianten können die Knoten sichtbar sein. Jedoch kann die Weise, wie sie geändert werden (damit sie unterschiedliche Festhaltefähigkeiten aufweisen), nicht durch visuelle Untersuchung erkannt werden, z.B. weil Chemikalien, die verwendet werden, um die Festhaltefähigkeiten der Knoten k20 zu ändern, nicht sichtbar sind. Außerdem können auch die Verteilungskanäle versteckt sein. Da jedoch die letzteren typischerweise geschachtelt sind oder in anderer Weise eine logische Anordnung aufweisen (z.B., um die Standfläche zu verringern), welche recht vorhersehbar sein kann, ist es am besten, versteckte Knoten k20 oder ununterscheidbare Knoten k20 zu haben.
Wie weiter in dem Beispiel der 9 angenommen, können einige der Module eine ähnliche Funktion aufweisen, wie z.B. die Erfassungsmodule 547 bis 548. Daher können einige Verbindungen durch den Entwurf ausgeschlossen werden (z.B. muss es nicht erforderlich sein, zwei Erfassungskammern potenziell zu verbinden). Allgemeiner muss es nicht erforderlich sein, alle Paare von Modulen potenziell zu verbinden. In diesem Fall können die zusätzlichen Sätze von Knoten jeweils weniger als m Knoten umfassen. Beispielsweise kann die Einheit m zusätzliche Sätze von jeweils m - 1 Knoten umfassen, sei es, um Kurzschlüsse auszuschließen, wie bereits beschrieben. Allgemeiner können nur spezielle Paare potenziell durch Knoten verbunden sein.
Wenn man dies verallgemeinert, versteht es sich, dass die Mikrofluidik-Einheiten mindestens zwei Mikrofluidik-Module und folgerichtig einen ersten Satz von mindestens zwei Knoten (welche jeweils den Eingabe-Mikrokanal mit einem entsprechenden der Module verbinden) sowie einen zweiten Satz von mindestens zwei Knoten umfassen sollten, um Paare von Modulen zu verbinden, die im Ergebnis verbunden werden müssen. Wie bereits beschrieben, entspricht dieser zweite Satz dem Obersatz, der durch m zusätzliche Sätze gebildet wird, welche möglicherweise eine verringerte Anzahl (< m) an Knoten aufweisen können, verglichen mit den oben beschriebenen Knotenkonfigurationen von m × (m + 1). Knoten in dem zweiten Satz verbinden potenziell geordnete Paare verschiedener Module. Nun kann in Übereinstimmung mit früheren Beispielen ein Teilsatz der Knoten sowohl des ersten Satzes als auch des zweiten Satzes geändert werden, um zu ermöglichen, dass die Knoten sowohl im ersten als auch im zweiten Satz unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen. Als ein Ergebnis gelangt Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch mindestens ein geordnetes Paar von zwei Mikrofluidik-Modulen. Die tatsächlich ermöglichte Sequenz wird durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten sowohl des ersten Satzes als auch des zweiten Satzes bestimmt.
Jedoch, und wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung beobachtet haben, vereinfacht eine Verringerung der Anzahl potenzieller Verbindungen in dem zweiten Satz in der Praxis nicht den Entwurf der Einheiten, anders als man erwarten würde. In der Tat macht dies das Konzept eines universellen Mikrofluidik-Chips sogar schwieriger. Letztendlich ist es vielleicht einfacher, einen Entwurf mit m × (m + 1) Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration zu verwenden. Außerdem kann eine Koordinatenkonfiguration von m × (m + 1) mehr Flexibilität ermöglichen, insofern, als man möglicherweise Kurzschlüsse nutzen möchte und so eine Flüssigkeitsströmung in einem oder mehreren Modulen stoppen möchte, z.B. zu Erfassungszwecken, wie bereits beschrieben.
Wie in 1 bis 3, 7 veranschaulicht, sind Komponenten der Mikrofluidik-Einheiten k der vorliegenden Erfindung gemäß verschiedenen parallelen Niveaus angeordnet. Wie beispielsweise durch die Strukturen gestrichelter und gepunkteter Linien der 1 bis 3 vorgeschlagen, sind der Eingabe-Mikrokanal 110 und die Ausgabe-Mikrokanäle 11l auf einem ersten (oberen) Niveau der Einheit definiert, während die Verteilungs-Mikrokanäle 13l auf einem zweiten (unteren) Niveau der Einheit definiert sind. Jedes Niveau kann durch eine entsprechende Schicht oder durch mehrere Schichten verkörpert sein, wie später in Bezug auf 5 bis 7 beschrieben. Außerdem ist zwischen dem ersten und dem zweiten Niveau (der ersten und der zweiten Schicht) ein Zwischenniveau (oder eine Zwischenschicht) beteiligt, wobei sich auf diesem Niveau die Durchlassöffnungen der Knoten erstrecken, wie bereits beschrieben. Solche Anordnungen ermöglichen transversale 3D-Kanalkonfigurationen, wobei z.B. sowohl der Eingabekanal als auch die Ausgabekanäle parallel zu einer ersten Richtung auf einem ersten Niveau angeordnet sind, während die Verteilungskanäle parallel zu einer zweiten Richtung (transversal zu der ersten Richtung) auf einem zweiten Niveau angeordnet sind. Solche transversalen Kanalkonfigurationen ermöglichen, dass kompaktere Anordnungen der Kanäle entworfen werden und dadurch Einheiten verkleinerter Standfläche erreicht werden. Transversale Kanalkonfigurationen sind besonders wünschenswert in Ausführungsformen, die auf Koordinaten-Schaltkonfigurationen der Knoten beruhen.
Deswegen werden 3D-Knoten, wie bereits beschrieben, vorteilhaft in Einheiten verwendet, wie in 1, 4 bis 9 dargestellt, um transversale 3D-Kanalkonfigurationen zu ermöglichen. Beispielsweise umfassen, Bezug nehmend auf 2, 3, 7C und 7D, einige oder (vorzugsweise) alle der Knoten k20 der m + 1 Sätze von m Knoten jeweils: einen Einlaufanschluss, einen Hohlraum mit einem Flüssigkeitssperrelement, eine Durchlassöffnung und einen Auslaufanschluss, wie bereits beschrieben.
Zur Vereinfachung weist ein Knoten typischerweise nur einen Eingabeanschluss und einen Ausgabeanschluss auf, wie in den Beispielen der 1 bis 9. Es sind jedoch weiter entwickelte Varianten vorhersehbar, wobei ein Knoten beispielsweise zwei Ausgabeanschlüsse aufweist, wie in 10 dargestellt. In diesem Fall ermöglicht eine Aktivierung eines einzelnen Knotens, dass zwei Module gleichzeitig aktiviert werden.
In den Beispielen der 1 bis 3 und 10 ist das Flüssigkeitssperrelement eine Festhaltestruktur 122, die am Zugang zu dem Hohlraum 123 ausgebildet ist. Die Festhaltestruktur 122 ist so konfiguriert, dass sie eine Flüssigkeits-Füllfront einer wässrigen Flüssigkeit am Zugang zu dem Hohlraum 123 stoppt (oder zumindest deren Fortschreiten einen Widerstand entgegensetzt). Dies macht es besonders einfach, den Hohlraum zu aktivieren. In der Tat kann, da das Festhalteelement 122 genau am Zugang zu dem Hohlraum angeordnet ist, der Raum, der in dem Hohlraum frei bleibt, bequem genutzt werden, um ein Benetzungsmaterial 129 aufzutragen oder die Festhaltestruktur 122 auf andere Weise zu ändern, um die Festhaltefähigkeit des Knotens zu ändern. Die Festhaltestrukturen werden typischerweise von oben geändert. Die Einheit kann immer noch in einer späteren Phase versiegelt werden, z.B. durch Abdecken aller offenen Strukturen von oben mit einem Deckel, wie es auf dem Fachgebiet üblich ist.
Wie in 2, 3 oder 10 dargestellt, wird die Flüssigkeits-Festhaltestruktur 122 vorzugsweise durch einen Öffnungswinkel Θ₁ des Hohlraums 123 gebildet, wobei der Winkel vorzugsweise 90° bis 160° beträgt. Dieser Winkel kann jedoch auch 60° bis 90° betragen, vorausgesetzt, hydrophobe Wände werden verwendet. Dieser Öffnungswinkel wird zwischen einer mittleren Flüssigkeits-Strömungsrichtung am Eingabeanschluss (d.h. entlang -y) und einer oder mehreren Wänden des Hohlraums 123 um dessen Zugang herum gemessen, wobei sich solche Wände in einer Ebene parallel zu (x, z) erstrecken, wie in 2 zu sehen. Beispielsweise kann dieser Winkel 90° betragen, d.h. die Wand ist als eine gerade Wand ausgebildet (die sich senkrecht zur Flüssigkeits-Einlaufrichtung -y erstreckt), zu welcher der Einlaufanschluss führt.
In weiter entwickelten Ausgestaltungen ist dieser Winkel deutlich größer als 90° (d.h. er beträgt 110° bis 160°). Wenn man eine Situation betrachtet, wobei Flüssigkeit den Einlaufanschluss mit einem voranschreitenden Kontaktwinkel füllt, wird durch die Vergrößerung, d.h. die Aufweitung am Eingang in den Hohlraum, eine Winkelkomponente hinzugefügt, welche dem Fortschreiten des Meniskus in den Hohlraum einen Widerstand entgegensetzt, wie z.B. in Fällen des Venturi-Effekts. Ein besonders zufriedenstellender Wert für diesen Winkel ist 135°.
In den Beispielen der 2, 3 und 10 weist der Zugang zu dem Hohlraum 123 ferner eine Breite (gemessen entlang der Achse x) auf, die geringer ist als seine Tiefe (gemessen entlang z). Wände des Hohlraums auf jeder Seite des Zugangs sind durch einen Spalt getrennt, welcher der Breite des Zugangs entspricht. Die Wände bilden demgemäß zwei gegenüberliegende Öffnungswinkel Θ₁ in dem Hohlraum, wobei die Winkel jeweils 60° bis 160° betragen. Der Einlaufanschluss 121 kann sich beispielsweise entlang einer Hauptachse des Hohlraums 123 (parallel zur Achse y) erstrecken, um zu ermöglichen, dass der Zugang in dem Hohlraum zentriert ist. Auf diese Weise werden auf jeder Seite des Spalts zwei seitliche Ränder 122 gebildet, was wiederum die zwei Öffnungswinkel Θ₁ ergibt. Da außerdem die Tiefe des Zugangs größer als seine Breite ist, kann Flüssigkeit, die am Zugang zu dem Hohlraum seitlich festgehalten wird, nicht durch den Kapillareffekt die Festhaltebarriere überwinden, d.h. indem sie im Betrieb z.B. sowohl einen Boden des Einlaufanschlusses und des Hohlraums als auch eine gegenüberliegende Abdeckung benetzt.
Am besten ist es, wenn der Zugang am Eingang des Hohlraums 123 zentriert ist. In Varianten kann jedoch der Zugang seitlich (entlang x) dezentriert sein, was zu einem lediglich teilweisen Festhalten von Flüssigkeit führen kann. In anderen Varianten können andere Festhaltestrukturen (z.B. Säulen oder andere Mikrofluidik-Strukturen), verwendet werden, um die Flüssigkeit festzuhalten.
Wie in 3 veranschaulicht, kann der Knoten der 2 einfach geändert werden, z.B. durch ein Benetzungsmaterial 129, welches an den Flüssigkeits-Festhaltestrukturen 122 aufgetragen wird. Dieses Benetzungsmaterial ermöglicht einer Flüssigkeit, welche den Einlaufanschluss 121 füllt, im Betrieb trotz der Flüssigkeits-Festhaltestruktur 122 den Auslaufanschluss 125 zu erreichen. Das Benetzungsmaterial 129 kann beispielsweise Benetzungschemikalien umfassen, die an den Stellen der Festhaltestrukturen 122 aufgetragen werden, oder Benetzungsmikropartikel, eine Flüssigkeit, einen Farbstoff, ein Salz oder ein Tensid. Allgemeiner könnte dies ein beliebiges Material sein, dessen Restmaterial (sobald es getrocknet ist) durch eine wässrige Flüssigkeit wie Wasser oder eine andere wässrige Lösung benetzbar ist.
In Varianten können die Flüssigkeits-Festhaltestrukturen 122 physikalisch (statt chemisch) geändert werden, um zu ermöglichen, dass die Flüssigkeit den Auslaufanschluss 125 erreicht. Beispielsweise können die gegenüberliegenden Zugangsränder 122 des Hohlraums physikalisch geändert werden, um die Öffnungswinkel zu glätten, so dass eine Flüssigkeits-Füllfront den Zugang passieren und den Hohlraum 123 benetzen kann. Dies macht es jedoch typischerweise schwieriger, die Knoten zu konfigurieren.
In dem Beispiel der 2 und 10 ist der Hohlraum standardmäßig deaktiviert (d.h. normalerweise AUS). In diesem Fall werden nur jene Knoten geändert, die aktiviert werden müssen (um gewünschte geordnete Paare von Modulen einzuschalten), was einfach durch Hohlräume erreicht wird, die oben offen sind (vor der Versiegelung).
Wie in 1 bis 3 abgebildet, können die Einlaufanschlüsse 121 von Knoten desselben (z.B. horizontalen) Satzes 120 von Knoten unterschiedliche hydraulische Widerstände aufweisen. Die Breite des Einlaufanschlusses 121 und so der Zugang zu dem Hohlraum beeinflussen die Festhaltefähigkeit des Knotens. Einlaufanschlüsse unterschiedlicher hydraulischer Widerstände können somit genutzt werden, um die Unterschiede in den Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeit auszugleichen, welche die versetzten Einlaufanschlüsse von Knoten desselben Satzes erreicht, egal, ob sie von dem Eingabekanal 110 oder irgendeinem der Ausgabekanäle 11/ abzweigen. Beispielsweise kann die Breite und/oder die Länge der Einlaufanschlüsse 121 variiert werden, da der hydraulische Widerstand insbesondere von der Geometrie der Leitungen abhängt, z.B. wie in Fällen des Venturi-Effekts.
Wie ferner in 2, 3 und 10 veranschaulicht, können die Auslaufanschlüsse 125 der Knoten 120 gegebenenfalls ein Fluidströmungs-Verengungsventil 126 umfassen, um zu verhindern, dass eine wässrige Flüssigkeit in dem Verteilungs-Mikrokanal 131, der an dem Auslaufanschluss 125 abzweigt, die Durchlassöffnung 124 erreicht. Dieses Ventil 126 ist vorgesehen, um zu verhindern, dass Flüssigkeit in dem Verteilungskanal in diesen Knoten eintritt. D.h., die Festhaltefähigkeit des Ventils 126 des Auslaufanschlusses 125 hängt von der Strömungsrichtung ab. Für eine hereinkommende Strömung weist es eine höhere Festhaltefähigkeit auf als der Teil des Mikrokanals 13/ auf dem Niveau der Verbindungsstelle 13lJ, an welcher der Auslaufanschluss 126 abzweigt. Das Ventil 126 kann zum Beispiel zwei gegenüberliegende Öffnungswinkel für eine Flüssigkeitsströmung bilden, die von dem abgezweigten Verteilungskanal 131 kommt, genau wie die Flüssigkeits-Festhaltestrukturen 122 am Zugang zu dem Hohlraum.
Wie in 2 oder 3 zu sehen, zweigt der Auslaufanschluss 125 auf dem Niveau einer Verbindungsstelle 13lJ, welche vorzugsweise ein Fluidströmungs-Verengungsventil 131C auf einer Seite dieser Verbindungsstelle 13lJ umfasst, zu einem Verteilungs-Mikrokanal 13l ab. Dieses zusätzliche Ventil zwingt eine wässrige Flüssigkeit, die durch den Auslaufanschluss 125 ausgestoßen wird, in die Richtung -y. Jedoch, und wie in 2 zu sehen, kann eine wässrige Flüssigkeit, die von der anderen Seite der Verbindungsstelle kommt, das Ventil 131C passieren. Somit fungieren der Auslassanschluss 125 und das Ventil 131C des zweiten Mikrokanals 13l als eine Diode. Dies macht es möglich, dass eine Spalte von Knoten zu demselben Verteilungs-Mikrokanal abzweigt. Dabei verhindert das Ventil 126, dass Flüssigkeit, die bereits in dieser Spalte vorhanden ist (die möglicherweise von höheren, aktivierten Knoten kommt), in den Knoten eintritt (der Knoten ist somit unidirektional).
Das Fluidströmungs-Verengungsventil 13lC wird vorzugsweise durch unterschiedlich geformte Abschnitte S1, S2 des Kanals 13/ gebildet, wie in 10 abgebildet. Der erste Abschnitt S1 ist kegelförmig und führt zu dem zweiten Abschnitt S2, welcher einen größeren mittleren Durchmesser als der erste Abschnitt aufweist, so dass im zweiten Abschnitt ein Öffnungswinkel Θ₂ geschaffen wird, welcher wiederum 60° bis 160° betragen kann. Der Öffnungswinkel Θ₂ wird zwischen einer Haupt-Längsachse des Auslaufkanals 13l (parallel zu y) um das Verengungsventil und einer oder mehreren Wänden des zweiten Abschnitts S2 gemessen, zu welchem der kegelförmige Abschnitt S1 führt. Somit wird eine Flüssigkeitsströmung, die von dem ersten Abschnitt S1 kommt, am Zugang zu dem zweiten Abschnitt S2 festgehalten, während eine Flüssigkeitsströmung, die aus der Gegenrichtung kommt, die Verengung 13lC passieren kann.
Bei 1 werden Mikrofluidik-Strukturen angenommen, die in Silicium-Chips geätzt werden. In anderen möglichen Ausgestaltungen der Einheiten können Polymerchips durch Spritzgießtechniken hergestellt werden, wie in 5 und 6 dargestellt. In anderen Varianten können Medien mit Dochteffekt als eine Basis zum Bilden der verschiedenen benötigten Strömungswege verwendet werden, wie in 7A bis 7D angenommen.
1 und 4 zeigen einen 3D-Mikrofluidik-Chip, der in Silicium hergestellt ist und vier Mikrofluidik-Module umfasst (d.h. in diesem Fall leere Kammern, obwohl zu Zwecken der besseren Sichtbarkeit in 4 schwarze Lebensmittelfarbstoffe abgeschieden worden sind). Auf jeder Seite des Silicium-Kernchips sind Kanäle strukturiert, welche umfassen: einen Eingabekanal 110, die Module 141 bis 144 und vier Ausgabekanäle 111 bis 114 auf einer Seite und vier Verteilungskanäle 131 bis 134 auf der anderen Seite. Durchlassöffnungen 124, 131V bis 134V stellen eine Fluidkommunikation von einer Seite zu der anderen sicher. Zwanzig Leitwegführungsknoten sind zwischengelagert, um für eine vollständige Kontrolle über die Strömungswege zu sorgen. Die Strömungswegflächen können zum Beispiel silanisiert (mit Trichloroctylsilan) sein, um Benetzungsflächen zu erhalten. Die Mikrokanaltiefen betragen etwa 20 µm. Die Mikrofluidik-Strukturen sind auf beiden Seiten des Chips mit PDMS-Abdeckungen bedeckt. Eine solche Einheit ermöglicht typischerweise Fluid-Strömungsgeschwindigkeiten von 1,5 µm/min.
In den Beispielen der 5 bis 7 umfassen die Mikrofluidik-Einheiten k (k = 2, 3, 4) zwei, drei oder mehr Schichten k1 bis k3, welche zwei oder mehr Niveaus der Einheiten verkörpern, wie bereits beschrieben. Das heißt, die mehreren Niveaus der Einheit werden durch mehrere Schichten sichergestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass sich die Anzahl der Niveaus der Einheit (typischerweise drei) von der tatsächlichen Anzahl der verwendeten Materialschichten unterscheiden kann, welche höher oder niedriger sein kann, was von dem aktuell angewendeten Herstellungsverfahren abhängt.
Im Detail weist jede der Einheiten, die in 5 - 7 dargestellt sind, Knoten auf, die eine identische Struktur aufweisen. In 6 und 7 sind der Eingabekanal k10, die Ausgabe-Mikrokanäle k1l, der Hohlraum k23 und der Einlaufanschluss k21 der Knoten alle in einer ersten Schicht k1 ausgebildet, während die Verteilungs-Mikrokanäle k3l in einer zweiten Schicht k2 ausgebildet sind. In den Entwürfen der 7A bis 7D wird eine zusätzliche Zwischenschicht benötigt. Dennoch kann ein Mikrofluidik-Chip in einem einzigen Spritzgießschritt gebildet werden, wie in 5. Somit können die Einheiten der vorliegenden Erfindung im Ergebnis eine, zwei oder drei (oder sogar mehr) Schichten von Materialien umfassen, ungeachtet möglicher Abdeckungs-/Deckelschichten. Zum Vergleich umfasst die Einheit der 1 im Wesentlichen eine Silicium-Schicht, die geeignet strukturiert und dann auf jeder Seite abgedeckt wird.
In 5 wird auf zwei Formkomponenten m1, m2 zurückgegriffen, welche geeignet strukturiert sind, wodurch ein einziger Spritzgießschritt ausreicht, um den Polymerchip 2 direkt herzustellen. Das heißt, zum Formen werden gleichzeitig zwei Formeinsätze m1, m2 verwendet. Einer m1 der Formeinsätze weist zwei Tiefenniveaus auf, eines zur Herstellung der Mikrokanäle und das andere zur Herstellung der Durchlassöffnungen.
In 6, sind zwei Schichtkomponenten 31, 32 zusammengesetzte Polymerschichten, die durch zwei Formeinsätze m1, m2a erhalten werden. Der Formeinsatz m1 der 6 ist grundsätzlich derselbe wie der Einsatz m1 der 5, während m2a der zu m2 spiegelsymmetrische ist. In diesem Fall werden zwei Spritzgießschritte angewendet. D.h., die untere Schicht 32 und die obere Schicht 31 werden getrennt hergestellt, durch Einspritzen von Material zwischen jedes Paar von Formkomponenten m1, m1a und m2a, m2b. Anschließend werden die zusammengesetzten Schichten 31 und 32 verbunden. Das heißt, einerseits die obere Schicht und die Durchlassöffnungen und andererseits die untere Schicht werden unabhängig unter Verwendung einzelner Formeinsätze in zwei unabhängigen Formschritten hergestellt.
In den Varianten der 7 bis 8 wird ein Medium mit Dochteffekt (wie z.B. ein faseriges/poröses Medium wie Papier oder ein Nitrocellulosematerial) als eine Basis zum Bilden der Strömungswege verwendet. Die Grenzen der Strömungswege können beispielsweise durch ein hydrophobes Material wie Wachs gebildet werden (d.h. die Strömungswege sind durch Wachsdruck erzeugt). Namentlich sind die Eingabe- und Ausgabekanäle, die Knotenhohlräume und die Einlaufanschlüsse auf einer oberen Schicht 41 definiert, während die Verteilungskanäle auf der unteren Schicht 42 definiert sind.
Hier sind die Durchlassöffnungen 424 der Knoten 420 in einer Zwischenschicht 43A, 43B ausgebildet, die zwischen der ersten Schicht 41 und der zweiten Schicht 42 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 43A, 43B kann als eine Polymer-Dünnschicht bereitgestellt werden, welche die erste und die zweite Schicht 41, 42 trennt. In dieser Dünnschicht können Öffnungen an Stellen ausgebildet sein, welche den Hohlräumen 423 entsprechen, um Durchlassöffnungen 424 zu definieren und somit eine Fluidkommunikation zu ermöglichen. Es können zwei verschiedene Ansätze vorgesehen sein, wie in 7A bzw. 7B verfolgt, bei denen die Knoten 420 normalerweise AUS (7A, wobei die Dünnschicht 43A im Wesentlichen jeden Hohlraum von unten versiegelt) oder normalerweise EIN (7B, wobei die Dünnschicht 43B hier durchstochen wird, um jeden Hohlraum 423 zu öffnen) sein können.
Obwohl in den Beispielen der 7 bis 8 Medien mit Dochteffekt 41, 42 verwendet werden im Gegensatz zum Silicium in 1 oder den Polymermaterialien in 5 bis 6, zeigt ein Vergleich der 1, 5 bis 6 und 7A bis 7B, dass dennoch ähnliche Strukturen von Mikrokanälen und Knoten für die Einheiten 1 bis 4b erreicht werden können. Beispielsweise ist in 7 bis 8 jeder Hohlraum 423 auf einem oberen Niveau der Einheit vorgesehen (verkörpert durch die Schicht 41). Außerdem sind die Hohlräume als Durchlassöffnungen in der oberen Schicht 41 ausgebildet (so dass sie insbesondere oben offen sind). Ein Einlaufanschluss 421 bildet die Verbindungsstelle zwischen einem Einlauf-Mikrokanal 410 bis 414 und einem entsprechenden Hohlraum auf der ersten Schicht 41 (vgl. auch 7C, 7D). Auslauf-Mikrokanäle 431 bis 434 sind in einem unteren Niveau vorgesehen, verkörpert durch die Schicht 42 in 7. Eine geeignete Polymer-Dünnschicht 43A, 43B ist zwischen den zwei Schichten 41, 42 eingefügt. Durchstoßene Löcher 424, 431V bis 434V spielen die Rolle von Durchlassöffnungen. Die unteren Ränder der Durchlassöffnungen 424 spielen die Rolle von Auslaufanschlüssen 425 der Hohlräume, welche eine Fluidkommunikation in Richtung der unteren Mikrokanäle 431 bis 434 ermöglichen.
Die eingefügte Dünnschicht 43A, 43B kann lediglich an ausgewählten Stellen durchstochen werden, um entsprechende Knoten zu aktivieren (wie in 7A). D.h., die Einheit ist normalerweise AUS und ausgewählte Knoten werden in diesem Fall aktiviert. In 7A spielen nicht entfernte Teile der Dünnschicht 43A die Rolle der Flüssigkeitssperrelemente (vgl. 8), welche Flüssigkeit an den entsprechenden Knoten blockieren.
Umgekehrt wird in 7B die Dünnschicht 43B an allen Knotenstellen durchstochen, um zu ermöglichen, dass die Einheit normalerweise EIN ist. Dies bedeutet, dass in diesem Fall ein Teilsatz der Knoten deaktiviert werden muss. Zu diesem Zweck kann in den Hohlräumen ein Flüssigkeitssperrelement 422 hinzugefügt werden. Dieses Element 422 kann beispielsweise durch eine veränderbare hydrophobe Barriere 422 gebildet werden, z.B., die in dem Hohlraum angeordnet wird, oder als eine Dünnschicht ausgebildet sein, die letzteren von unten versiegelt. Die hydrophobe Barriere kann zum Beispiel eine entfernbare Substanz (z.B. Wachs) sein, die in dem Hohlraum eingefügt wird.
Nun können durch ein automatisches Verfahren während einer Herstellungsstufe alle Hohlräume systematisch mit solchen hydrophoben Barrieren 422 gefüllt werden. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass die Einheit normalerweise AUS ist. Später kann ein Operator, der die Mikrofluidik-Schabloneneinheit anwendungsspezifisch ausgestalten möchte, somit einfach ausgewählte der hydrophoben Barrieren entfernen, so dass vom Benutzer nur jene Knoten geändert werden müssen, die im Ergebnis EIN sein müssen. Im Allgemeinen kann man versuchen, Flüssigkeitssperrelemente 422 zu verwenden, welche einfach entfernbar sind, wie z.B. Wachs, welches einfach geschmolzen oder einfach in einem geeigneten chemischen Lösungsmittel gelöst und dann abgesaugt werden kann.
8 zeigt eine Draufsicht auf eine Einheit gemäß 7B. 8 kann auch so angesehen werden, dass sie aus dem Entwurf der 7A resultiert, wobei die schwarzen Scheiben Teilen der Zwischendünnschicht 43A entsprechen, welche nicht entfernt worden sind. In Abhängigkeit von der angestrebten Anwendung, den verwendeten Materialien und dem benötigten Verhältnis aktivierter Knoten zu nicht-aktivierten (oder deaktivierten) Knoten kann einer der beiden Ansätze, die in 7A und 7B veranschaulicht sind, geeigneter sein als der andere.
Beide Ansätze der 7A und 7B machen es möglich, die Knoten zu rekonfigurieren, da Wachsstücke eingefügt und nach Bedarf entfernt werden können. In die Einheit der 7A können einfach zusätzliche Löcher gestochen werden und einige der Löcher können versiegelt werden, z.B. unter Verwendung von Wachs, falls erforderlich. Aufgetragene Chemikalien 129 können ebenfalls entfernt und in einer Einheit neu positioniert werden, wie in 1 oder 4. Jedoch ist das Rekonfigurieren eines Chips, wie in 4, im Prinzip schwieriger als das Rekonfigurieren einer Einheit, wie in 7A und 7B dargestellt.
In Bezug auf die Abmessungen sind die in 1, 4 bis 6 abgebildeten Einheiten vorzugsweise wie folgt abgemessen. Jeder der Eingabe-Mikrokanäle, der Verteilungs-Mikrokanäle und der Ausgabe-Mikrokanäle weist eine Tiefe auf, die 10 µm bis 100 µm beträgt (die Tiefe wird entlang der Achse z in 1 gemessen). Die Tiefen aller Kanäle (einschließlich der Einlaufanschlüsse) kann beispielsweise etwa 20 µm betragen. Außerdem weisen der Eingabe-Mikrokanal, die Verteilungs-Mikrokanäle und die Einlaufanschlüsse vorzugsweise eine ähnliche Tiefe auf.
Die Breite der Kanäle (gemessen entlang der Achse x oder y in 1) beträgt typischerweise 10 µm bis 200 µm (und vorzugsweise 10 µm bis 25 µm). Die Kanalbreiten spielen in den Fluidverbindungen jedoch keine entscheidende Rolle. Der Einlaufanschluss weist eine Breite auf, die vorzugsweise 5 µm bis 50 µm beträgt. Außerdem weist die Durchlassöffnung einen mittleren Durchmesser auf, der typischerweise 25 µm bis 200 µm (und vorzugsweise 50 µm bis 100 µm beträgt, gemessen in einer Ebene parallel zu (x, y). Es sind relativ große Abmessungen der Durchlassöffnungen vorgesehen, um keinen zusätzlichen hydraulischen Widerstand auf dem Niveau der Durchlassöffnungen hinzuzufügen und die Fluidverbindung nicht zu beeinträchtigen. Dies vereinfacht im Übrigen ebenfalls die Herstellung der Durchlassöffnungen. Die Dicke der Zwischenschicht(en), in der (denen) die Durchlassöffnungen ausgebildet sind, muss typischerweise mehr als 1 nm betragen und beträgt vorzugsweise mehr als 1 µm, aus Gründen der mechanischen Robustheit.
Solche Abmessungen treffen typischerweise auf Chips zu, d.h. Einheiten, deren Kernchips in Silicium oder durch Spritzgießen hergestellt werden. Einheiten, die auf Medien mit Dochteffekt basieren (7 bis 8) unterscheiden sich typischerweise in den Abmessungen. Beispielsweise sind Wachsdruck-Einheiten vorzugsweise wie folgt dimensioniert. Die minimale Breite (in der Ebene) von Wachsdruck-Kanalseitenwänden kann in der Größenordnung von 300 µm (nach dem Drucken) und 850 µm (nach einer Wärmebehandlung aufgrund der Ausbreitung des Wachses) liegen. Die Tiefe wird durch die Dicke der Medien mit Dochteffekt bestimmt (typischerweise mehr als 100 µm). Die Kanalbreite (d.h. die Trennung in der Ebene zwischen den Wachsdruck-Seitenwänden) kann nach der Wärmebehandlung beispielsweise 100 µm bis 1.000 µm betragen, mit einer typischen Standardabweichung von 50 µm. Falls erforderlich, können die Kammern der Module breiter sein.
In Ausführungsformen können die Mikrofluidik-Einheiten als Testeinheiten realisiert sein, d.h. als Einheiten, die allgemein für diagnostische Tests konfiguriert sind. Das heißt, mindestens eines der Mikrofluidik-Module weist einen Strömungsweg auf, der Reagenzien zum Ermöglichen der diagnostischen Tests umfasst. Diagnostische Tests beziehen sich auf die medizinische Diagnostik und allgemeiner auf die Bestimmung oder die Analyse des Grundes oder der Natur eines medizinischen Problems oder einer medizinischen Situation. Solche Testeinheiten können insbesondere eine tragbare Einheit, z.B. eine Hand-Einheit, sein, wie z.B. ein Blutzucker-Messgerät, ein Messstab oder ein Testsatz zum Erfassen eines oder mehrerer Analyten (z.B. Homocystein, C-reaktives Protein, glykiertes Hämoglobin oder HBA1C, HIV-Speichel-Assay, Test auf Herz-Marker, Tests zum Erfassen von Allergenen oder genetisch modifizierten Organismen, für die Erfassung von Pestiziden und Schadstoffen usw.) oder ein Schwangerschaftstest. Allgemeiner kann es sich um einen beliebigen Typ von Einheiten für schnelle diagnostische Tests (Rapid Diagnostic Tests, RDT) handeln, d.h. Einheiten, die für schnelle und einfache medizinische diagnostische Tests verwendet werden. RDT-Einheiten ermöglichen typischerweise, dass innerhalb von wenigen Stunden oder schneller Ergebnisse erhalten werden. Sie umfassen insbesondere Testeinheiten für patientennahe Tests (Point-of-Care-Tests, POC-Tests) und rezeptfreie Tests (Over-The-Counter-Tests, OTC-Tests). Ferner kann eine Testeinheit, wie sie hierin verstanden wird, verwendet werden, um Analysen durchzuführen, die über die medizinische Diagnostik hinausgehen, zum Beispiel zum Erfassen von Toxinen in Wasser usw. Es gibt potenziell zahlreiche Anwendungen für solche Testeinheiten, wie der Fachmann erkennen wird
In allen Fällen kann eine Sequenz von zwei oder mehr Modulen aktiviert werden, welche wiederum optisch erfasst werden kann, z.B. zum anschließenden Decodieren zu Überprüfungs- oder Sicherheitszwecken. Umgekehrt können Knoten der obigen Einheiten geeignet programmiert werden, um eine gewünschte Flüssigkeitssequenz zu ermöglichen. All dies wird im nächsten Abschnitt beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Verfahren
Erfassung dynamischer Muster
Im Allgemeinen beruhen die Erfassungsverfahren der vorliegenden Erfindung auf einem optischen Auslesen eines dynamischen Musters, wie es durch das Füllen der Module durch Flüssigkeit bewirkt wird. Wie bereits erwähnt, entwickelt sich dieses Muster dynamisch durch die Reihenfolge, in welcher die Flüssigkeit durch die Mikrofluidik-Module gelangt.
Somit können Informationen mit der Reihenfolge verbunden werden, in welcher die Module aktiviert werden, wie in 17A bis 17F veranschaulicht. Diese Zeichnungen zeigen den Betrieb einer Einheit 1 ähnlich der der 1 (Verteilungskanäle sind nicht dargestellt, wie in 9) zu verschiedenen Zeiten. In solchen Ausführungsformen wird das dynamische Muster optisch ausgelesen, indem eine Änderung des optischen Kontrasts 60A bis 60F der Mikrofluidik-Module 14/ (/ = 1, ..., 4) erfasst wird. Die aufeinanderfolgenden Änderungen im Kontrast werden durch Flüssigkeit bewirkt, die gemäß einer Sequenz durch die Mikrofluidik-Module 14/ gelangt, die durch die unterschiedlichen Festhaltefähigkeiten der Knoten bestimmt wird.
Diese Sequenz ist dieselbe wie die der 4, wie bereits im Abschnitt 2 beschrieben. Anfangs ist keine Flüssigkeit vorhanden (17A). Dann wird zur Zeit t₁ Flüssigkeit in den Eingabekanal 110 (17B) eingeführt. Durch Aktivierung des dritten Knotens des ersten (oberen) Satzes von Knoten füllt dann zur Zeit t₂ Flüssigkeit das dritte Modul (17C), was zu einer Änderung im Kontrast führt, die erfasst werden kann. Durch Aktivierung des ersten Knotens des dritten zusätzlichen Satzes (d.h. des vierten Satzes von oben) füllt dann zur Zeit t₃ Flüssigkeit das erste Modul (17D). Dies führt wiederum zu einer Änderung im Kontrast, die erfasst werden kann. Das Verfahren wird fortgesetzt mit Flüssigkeit, die zur Zeit t₄ das vierte Modul (17E) und schließlich zur Zeit t₅ das zweite und letzte Modul ( 17F) füllt.
Es sei angemerkt, dass die Änderung im Kontrast aufgrund einer Änderung in der Farbe entstehen kann, dadurch bewirkt, dass die Flüssigkeit die Strömungswege der Module benetzt. Falls erforderlich können die in den Modulen gebildeten Strömungswege etwas Reagenz umfassen, das auf der Strömungswegfläche angeordnet ist (z.B. statische Flecken), welches anfangs nicht sichtbar ist. Das Reagenz kann jedoch durch eine Änderung des optischen Kontrasts sichtbar gemacht werden, dadurch bewirkt, dass die Flüssigkeit den Strömungsweg der Module benetzt.
In allen Fällen kann eine Sequenz (entsprechend 17 zu dem dritten, dem ersten, dem vierten und dem zweiten Modul) erfasst werden, z.B. unter Verwendung einer Handeinheit, z.B. eines Smartphones oder eines Tablets, ausgerüstet mit einer allgemeinen oder speziell dafür vorgesehenen Anwendung, welche die Steuerung der in die Einheit integrierten Kamera übernimmt. In Varianten kann zu diesem Zweck eine USB-Kamera oder eine spezialisierte oder anwendungsspezifisch ausgestaltete optische Einheit verwendet werden. In anderen Varianten erfolgt die optische Erfassung durch einen optischen Sensor, wie z.B. ein Photodioden-Matrixfeld, das auf einem austauschbaren Chip montiert ist, welcher von der (lokalen oder entfernt angeordneten) Einheit getrennt sein kann, die verwendet wird, um die ausgelesenen Muster zu decodieren.
In weiter entwickelten Ausführungsformen kann das Erfassungsverfahren eine Einheit k umfassen, welche ein oder mehrere Mikrofluidik-Module k4l aufweist, die jeweils ein optisch lesbares Medium umfassen. Dieses Medium bildet ein Muster von Materialflecken, die auf dem Strömungsweg des Moduls angeordnet sind. Diese Muster können zu gegebenen Zeiten erfasst werden, welche den Aktivierungszeiten der Module entsprechen. Solche Ausführungsformen werden nun in Bezug auf 12 bis 14 beschrieben.
Bezug nehmend auf 12, kann mindestens ein Modul k4l der Einheit k ein solches optisch lesbares Medium umfassen. Das Muster 61 von Materialflecken kann in der Tat verschiedene Teilsätze von Flecken umfassen, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Das heißt, die Flecken 51 und die Flecken 52 sind aus Materialien hergestellt, welche deutlich unterschiedliche Löslichkeiten in der Flüssigkeit aufweisen, die in den Eingabekanal zu laden ist. In dem Beispiel der 12 weisen die Flecken 51 eine geringere Löslichkeit auf als die Flecken 52, so dass die Flecken 52 zuerst löslich gemacht werden, wodurch ein Restmuster 62 in Erscheinung tritt. Die Flecken 51, 52 weisen vorzugsweise anfangs dieselbe Farbe und denselben Kontrast auf, um es möglich zu machen, ein Muster 62 sichtbar zu machen, welches sich anfangs in dem Muster 61 befindet, wie in den Screenshots der 13 zu sehen.
Das Restmuster 62, das durch die ersten Flecken 51 gebildet wird, kann somit optisch ausgelesen werden, nachdem die Flecken 52 in der Flüssigkeit, die durch das Modul k41 gelangt, löslich gemacht oder aufgelöst und von dieser weggespült worden sind. Die Flecken 51 können in der Tat anfangs nicht sichtbar sein, so dass das Muster, das anfangs sichtbar ist, dem komplementären Muster entsprechen kann (d.h. durch das Muster 61 minus das Muster 62 gebildet werden kann). Jedoch kann das Restmuster 62 schließlich durch eine Änderung des optischen Kontrasts der Flecken 51 sichtbar gemacht werden, bewirkt durch die Flüssigkeit, die sie benetzt. Vorzugsweise sind jedoch die beiden Typen von Flecken 51, 52 sichtbar, aber die Kontraste und Farben der beiden Typen von Flecken können anfangs durch visuelle Untersuchung nicht unterschieden werden.
In anderen Varianten ist nur ein Typ von Flecken beteiligt, welche anfangs nicht durch visuelle Untersuchung erfassbar sind (um eine Fälschung schwieriger zu machen). Jedoch kann eine Änderung des optischen Kontrasts erfasst werden, der durch die Flüssigkeit bewirkt wird.
Nun Bezug nehmend auf 14, 15, sind vorzugsweise optisch lesbare Medien in zwei oder mehreren der Module k4l der Einheit k vorgesehen. In diesem Fall kann man versuchen, die Restmuster 62, 62a optisch auszulesen, wie sie durch die Restflecken 51 in jedem der Module gebildet werden (zu unterschiedlichen Zeiten t_j), nachdem die Flecken 52 in der Flüssigkeit, die darin fließt, löslich gemacht und von dieser weggespült wurden.
In der Tat können die Anfangsmuster 61, 61a ebenfalls optisch ausgelesen werden, falls erforderlich, wie in 14 und 15 angenommen. Das heißt, sowohl die Anfangsmuster 61, 61a als auch die Endmuster (Restmuster) 62, 62a können maschinenlesbare optische Markierungen bilden, welche in Ausführungsformen erfasst werden können. Die Anfangsmuster können zu jeder Zeit erfasst werden, bevor die Module aktiviert werden, z.B. alle zur gleichen Zeit, während die Restmuster 62, 62a zu unterschiedlichen Zeiten ausgelesen werden, nachdem sie sichtbar gemacht worden sind.
Alle Muster, die optisch ausgelesen werden sollen (beginnend mit dem Restmuster 62, 62a), müssen maschinenlesbar und interpretierbar sein, um das Auftreten eines entsprechenden Ereignisses (d.h. ein Modul wird mit Flüssigkeit gefüllt) sicherzustellen und möglicherweise darin codierte Informationen zu identifizieren. Außerdem sind solche Muster 61 bis 62a vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie eine optische Erfassung, z.B. durch ein Smartphone oder ein Tablet, vereinfachen.
In Ausführungsformen werden Muster zusammen mit der relativen Reihenfolge ihres Auftretens erfasst, ohne dass es erforderlich ist, dass das Muster irgendwelche speziellen Informationen codiert. Vorzugsweise codiert jedoch das Muster zusätzliche Informationen. Bei den optisch lesbaren Markierungen kann es sich beispielsweise um einen ein- oder zweidimensionalen Balkencode handeln, welcher Informationen z.B. über die Kennung der Einheit, den Typ der Einheit, eine gegebene Funktionalisierungsklasse der Einheit, eine Modulkennung und/oder einen öffentlichen oder privaten Schlüssel (zu Authentifizierungszwecken) usw. codiert.
Es sind mehrere Verfahren bekannt, welche ermöglichen, dass ein aufgenommenes Bild in ein digitales Bild interpretiert wird. Solche Techniken sind beispielsweise in großem Umfang insbesondere für mobile Anwendungen entwickelt worden, z.B. zum Interpretieren von 2D-Balkencodes oder allgemeiner zur Bilderkennung. Beispielsweise können die zugrunde liegenden Algorithmen, falls erforderlich, eine optische Zeichenerkennung (Optical Character Recognition, OCR) umfassen.
Beispielsweise können die Restmuster 62, 62a der optisch lesbaren Medien der Mikrofluidik-Module entsprechende Schlüssel 62, 62a codieren, welche zusammen einen Satz unterschiedlicher Schlüssel bilden, welcher durch Schlüssel ergänzt werden kann, die in den Anfangsmustern 61, 61a codiert sind, falls erforderlich. Solche Schlüssel sind dafür vorgesehen, optisch ausgelesen und anschließend in Verbindung mit der Reihenfolge, in der sie erschienen sind, interpretiert zu werden. Zu diesem Zweck kann es sein, dass die zur Erfassung verwendete Einheit optisch ausgelesene Informationen über die Schlüssel 62, 62a speichern muss, ebenso wie Reihenfolgeninformationen über die Reihenfolge, in welcher sie optisch ausgelesen wurden. Die Reihenfolgeninformationen können einfach ein Zeitstempel sein, der mit einem Bild, einer digitalisierten Form oder irgendeiner geometrischen Umsetzung der ausgelesenen Form verbunden ist. Beispielsweise können Screenshots mit Zeitstempel (d.h., ein Film) erhalten und gespeichert werden, z.B. auf einem nicht-flüchtigen Speicher des Detektors oder auf einem flüchtigen Speicher. Ausgelesene Muster können beispielsweise auf einem flüchtigen Speicher der Einheit gespeichert werden, wenn die erhaltenen Informationen sofort zu verarbeiten oder zu übertragen sind, z.B. zur weiteren Verarbeitung (Decodierung und Verifizierung) zu einem Server weiterzuleiten sind.
Vorzugsweise sind die Flecken 51, 52 jedes optisch auslesbaren Mediums gemäß einem zweidimensionalen Gitter angeordnet, wie in 12 bis 14 angenommen, wobei jede Zelle des Gitters einen oder mehrere Materialflecken 51, 52 umfasst. Idealerweise umfasst eine Zelle (höchstens) einen Fleck, d.h. einen Fleck des ersten Materials oder des zweiten Materials. Der erste und der zweite Fleck 51, 52 können beispielsweise komplementäre Muster bilden, wie in 12 bis 14 angenommen. Diesbezüglich sein angemerkt, dass das Anfangsmuster nicht symmetrisch sein muss und im Gegensatz dazu ein unvollständiges Muster gebildet werden kann, um Informationen zu codieren, falls erforderlich.
Nun kann jede Zelle des Gitters in der Tat mehrere Materialflecken umfassen, um den Kontrast oder allgemeiner die Erkennbarkeit der Muster zu erhöhen. Das Gitter kann zum Beispiel q × r Zellen umfassen, wobei eines oder jedes von q und r im Allgemeinen größer oder gleich 4 ist, zum Beispiel 16. In allen Fällen wird die Mustererkennung vereinfacht, wenn Flecken vorliegen, die gemäß einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind. Der Mittenabstand zwischen benachbarten Zellen des Gitters ist vorzugsweise größer oder gleich 110 µm, was in der Praxis zu sehr wenigen oder sogar gar keinen Fehlern führt, wenn Tröpfchen in die Pixelschablone aufgebracht werden, wie die Erfinder beobachteten. Dieser Punkt wird im nächsten Abschnitt detailliert beschrieben. Weitere technische Überlegungen zu möglichen Gittern, ihren Strukturen und ihrer Herstellung werden im nächsten Abschnitt beschrieben.
Nicht alle der Module müssen mit einem optisch lesbaren Medium versehen sein. Einige der Module können beispielsweise speziell für eine bestimmte Funktion (z.B. Strömungsmischung, Reaktion) ausgestaltet sein, welche mit dem Vorliegen löslicher Flecken inkompatibel sein kann. Außerdem können lösliche Flecken anschließend abzweigende Module verunreinigen. In der Tat können lösliche Flecken die Funktion eines gegebenen Moduls oder der Module stören, die anschließend verbunden werden. Dies kann besonders problematisch sein für Mikrofluidik-Einheiten, die als Testeinheiten für diagnostische Tests konfiguriert sind. In diesem Fall kann eines oder können mehrere der Mikrofluidik-Module k4l einen Strömungsweg aufweisen, der Reagenzien umfasst, um die diagnostischen Tests zu ermöglichen, d.h. dessen Reagenzien mit der geladenen Flüssigkeit reagieren sollen. In solchen Situationen sollten die Flecken 51, 52 stromabwärts der Reagenzien angeordnet sein, um den Test nicht zu stören.
Wo mehrere Module verbunden sind, welche alle Reagenzien umfassen, sollten die Module, die für den Test vorgesehen sind, daher zuerst aktiviert werden, d.h. vor Modulen, die optisch lesbare Medien (mit löslichen Flecken) umfassen. Auf diese Weise gelangt die geladene Flüssigkeit zuerst durch jedes Modul, welches Reagenzien umfasst, bevor sie durch restliche Module der Einheit gelangt, gemäß einer Reihenfolge, die durch die Knoten k20 bestimmt wird. Es sei jedoch angemerkt, dass ein optisch lesbares Medium mit löslichem Material bereits in dem letzten Modul vorgesehen sein kann, das Reagenzien aufweist, jedoch stromabwärts der Reagenzien, um Störungen zu verhindern.
Bilden von Gittern aufgebrachter Materialien
Typischerweise wird eines oder werden mehrere der folgenden Materialien verwendet, um die erforderlichen Strömungswege zu bilden: ein Polymer (z.B. ein SU-8-Polymer), Siliciumdioxid, Glas und Medien mit Dochteffekt (Materialien auf Cellulose-Basis, wie z.B. Pappe, Papier usw.). Es können andere Materialien absehbar sein, wie z.B. eine Metallbeschichtung. Eine Metallbeschichtung kann jedoch ein komplexeres Herstellungsverfahren erforderlich machen (z.B. einen Reinraum oder ein komplexes Verfahren) oder toxische Vorstufen benötigen.
Wie in 11 bis 14 veranschaulicht, ist das Gitter vorzugsweise ein zweidimensionales Gitter. Die Flecken 51, 52, welche die Muster 61, 62 bilden, werden vorzugsweise gemäß einem regelmäßigen Gitter angeordnet, z.B. einem quadratischen oder rechteckigen Gitter, dessen Gesamtabmessungen gut in die Breite einer Modulkammer passen. Die Flecken sind an Positionen angeordnet, welche einem Teilsatz von Zellen des Gitters entsprechen, um ein Muster 61, 62 zu bilden. Das Gitter ist eine systematische Anordnung von Zellen, am praktischsten in Reihen und Spalten. Jede Zelle eines gegebenen Gitters weist vorzugsweise dieselben Abmessungen auf, wobei in diesem Fall die Stufen a, b des Gitters entlang den Richtungen x und y konstant sind. Dies vereinfacht den Entwurf, die Herstellung und die Abscheidungsverfahren. Ferner sind die Stufen a und b vorzugsweise gleich groß, wie in 11 bis 14 angenommen.
Die Zellen können gefüllt werden, indem ein oder mehrere Tropfen darin aufgebracht werden, um die Größe des Flecks und den Kontrast zu erhöhen, falls erforderlich. Das Herstellungsverfahren wird jedoch beschleunigt, wenn nur ein Tropfen je Zelle aufgebracht werden kann, daher der Vorteil der Optimierung der Zellengröße gg. die Tropfengröße, wie nachstehend beschrieben.
Jedoch können Gitterwerke variierender Zellen absehbar sein, wo z.B. einige Zellen größer als andere sein müssen, da sie verwendet werden, um kritischere Informationen zu codieren, und somit mehr optischen Kontrast benötigen können oder weniger tolerant für Fehler im Verfahren des Aufbringens der Flecken sind. Das Gitter kann somit eine nichtkonstante Stufe in einer oder jeder der Richtungen x und y aufweisen. Entsprechend ist „Gitter“ hier weit auszulegen, es kann jede Art von Gitterwerk, Netz oder Tesselation sein, welches konstante Stufen aufweist oder nicht und dessen Zellen adressierbar sind, um das Abscheidungsverfahren zu automatisieren.
In Varianten kann ein eindimensionales Gitter verwendet werden. Die codierten Informationen sind jedoch in diesem Fall weniger und einfacher zu fälschen.
Das Gitter und die resultierenden Muster 61, 62 können ein Seitenverhältnis aufweisen, wie in 11 (für n = 2 oder 3) zu sehen, wobei die Abmessung des Gitters entlang x wesentlich größer als entlang y ist. Das heißt, die größte Abmessung ist parallel zu einer Längsrichtung der Ausdehnung des Strömungsweges. Dies wiederum ermöglicht, die Dichte der codierbaren Informationen zu optimieren, was besonders vorteilhaft ist, wo der Strömungsweg in einem Mikrokanal oder einer Kammer vorgesehen ist, aufgrund der typischen Abmessungen und des Formfaktors letzterer. Diesbezüglich sei angemerkt, dass ein Mikrofluidik-Modul lediglich auf eine Kammer oder einen Kanal beschränkt sein kann. Jedoch kann die Breite dieser Kammer größer als eine typische Breite eines Kanals in der Einheit gemacht werden, um Reagenzien und/oder optisch lesbare Medien unterzubringen. Falls erforderlich, kann mehr als ein optisches Medium (unterscheidbare Muster bildend) in derselben Kammer vorgesehen sein, z.B. um die Erfassung sicherzustellen.
Das Gitter als solches muss nicht physisch auf der Fläche des Strömungswegs des Moduls strukturiert sein. Dies trifft insbesondere zu, wenn ein Muster von Flecken auf Cellulose oder irgendein anderes imprägnierbares Material aufgebracht wird. Somit können die Muster 61, 62 gemäß einem abstrakten Gitter gebildet werden und die Flecken an Positionen abgeschieden werden, die der Mitte von Zellen dieses abstrakten Gitters entsprechen.
Wenn jedoch der Strömungsweg auf einer Fläche wie einem Polymer, SiO₂, Glas usw. ausgebildet ist, dann können die Zellen des Matrixfelds physisch auf der Fläche strukturiert sein, um das Aufbringen der Flecken einfacher zu machen. Wenn die Flecken 51, 52 aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind, können die ersten Flecken 51 an Positionen angeordnet sein, die einem Teilsatz der Zellen entsprechen (dem versteckten Muster 62, 62a), während die zusätzlichen Flecken 52 an Positionen angeordnet sein können, die komplementären Zellen des Gitters entsprechen, d.h. Zellen, die von dem Teilsatz von Zellen unterscheidbar sind und einen zweiten unterscheidbaren Teilsatz bilden. Die Nebeneinanderstellung des ersten und des zweiten Teilsatzes muss im Gegensatz zu den Abbildungen der 12 und 14 nicht das gesamte Gitter einer speziellen optischen Markierung abbilden, sie kann dies jedoch, wie in 12 bis 13. Notwendig ist, das Muster 62 innerhalb des Anfangsmusters 61 zu verstecken, so dass für jede Markierung eine Mindestanzahl von einem Fleck 52 benötigt wird. Am einfachsten ist es jedoch, den ersten und den zweiten Teilsatz als perfekte komplementäre Teilsätze auszugestalten, welche zu jeder Zeit das gesamte Gitter einer bestimmten optischen Markierung abbilden, wie in 12 veranschaulicht.
In allen Fällen erscheint das Muster 62 (welches nur aus unlöslichen Flecken 51 besteht) nur, nachdem die löslichen Flecken 52 durch die Flüssigkeit weggespült worden sind, wenn sich letztere in dem Strömungsweg voran bewegt, wie auch in den Screenshots der 13 zu sehen.
In Ausführungsformen ist der Mittenabstand zwischen benachbarten Zellen des Gitters größer oder gleich 110 µm. Oberhalb dieses Schwellenwerts nehmen Fehler gewöhnlich deutlich ab, wie nachstehend weiter beschrieben.
Das Gitter kann typischerweise q × r Zellen umfassen, wobei q und r im Allgemeinen beide größer oder gleich 4 sind. Zum Beispiel kann ein 5×4-Gitter verwendet werden, wie in 12. Größere Gitter werden jedoch bevorzugt, wie z.B. 16 × 5 (nicht dargestellt). Vorzugsweise weist das Gitter aus bereits genannten Gründen ein solches Seitenverhältnis auf, dass q (entlang x) größer als r (entlang y) ist. Im Allgemeinen kann vorteilhaft ein 16xr-Gitter verwendet werden, wenn die Muster 61, 62 durch Tintenstrahl aufgebracht werden. Dies macht es möglich, aktuelle Generationen von Tintenstrahldruckern effizient zu nutzen, welche eine Linie von bis zu 16 Düsen in einer Reihe umfassen.
Die Verwendung eines Gitters ermöglicht es, einem Benutzer anzuzeigen, dass zu einer Einheit ein Code, ein Schlüssel oder irgendein Kennzeichen hinzugefügt wurde. Auch einfache Codes können eine technische Barriere erzeugen, die ausreicht, um einen Betrug abzuwehren. Eine andere Informationsebene kann sich auf eine Chargenkennung der Herstellung beziehen. Es ist in der Tat typisch für diagnostische Tests aus verschiedenen Chargen, dass sie geringfügig unterschiedliche Leistungseigenschaften zeigen (z.B. Empfindlichkeit, Fehlerbalken usw.). Es können Kalibrierungstabellen für spezielle Chargen verwendet werden, um Testergebnisse zu normieren, und die Charge kann auf Grundlage der optischen Codes identifiziert werden. Die Codes können eine relativ hohe Anzahl an Zellen (z.B. 16 × m) nutzen, falls erforderlich, insbesondere wenn eine einzigartige Kennung an einem einzelnen Modul angebracht wird. Z.B. ermöglicht ein 16x16-Gitter mit Zellen von 100 µm × 100 µm eine Codierung von ~100 Bits/mm². Jedoch können 256 Bits unnötig sein, wenn nur wenige Oktetts codiert werden müssen. Es gibt einen Kompromiss zwischen den Informationen, die man codieren möchte (und so dem gewünschten Sicherheitsniveau), und der vertretbaren Herstellungszeit je Einheit. In Varianten, bei denen einfache optische Codes benötigt werden, kann lediglich eine Reihe von Flecken ausreichen.
Das Gitter kann in Ausführungsformen physisch auf die Einheiten gedruckt werden. Das heißt, Strukturen können gemäß dem Gitter auf einer Fläche der Module gebildet werden, z.B. auf der Fläche, die den Strömungsweg bildet. Die Strukturen werden dementsprechend an Positionen angeordnet, die Zellen des Gitters entsprechen. Die Flecken 51, 52 wiederum werden in oder auf solchen Strukturen angeordnet.
Die Strukturen können insbesondere als Hohlräume oder Wannen oder als Inseln verkörpert sein, welche relativ einfach herzustellen sind. Allgemeiner können andere Typen von Strukturen absehbar sein, welche z.B. schräge Wände umfassen. Das Gitter umfasst vorzugsweise nur Strukturen eines Typs (z.B. Hohlräume oder Inseln), welche vorzugsweise alle dieselben Abmessungen aufweisen, um den Entwurf, die Herstellung und die Abscheidungsverfahren zu vereinfachen.
Zwei benachbarte Strukturen sind vorzugsweise durch eine Lücke getrennt. Die Lücken können am einfachsten aus erhöhten Teilen (oder Wänden) bestehen, um Hohlräume zu begrenzen, oder aus Blindlöchern (oder Nuten), um Inseln zu begrenzen. Solche Lücken sind vorzugsweise im Mittel größer als 10 µm. Die Lücken werden in der Ebene entlang einer relevanten Richtung zwischen zwei benachbarten Zellen gemessen, d.h. der Richtung x oder y. Eine minimale Lücke von 10 µm vereinfacht das optische Auslesen und vermeidet Herstellungsprobleme, insbesondere wenn es eine geringfügige Fehlanpassung zwischen der Auftragsvorrichtung für die Flecken und den idealen Zellenpositionen gibt. Die Lücken stellen eine Unterscheidbarkeit zwischen den aufgetragenen Pixeln sicher und vermeiden Fehler in den abgeschiedenen Flecken 51, 52. Die durch die Lücken (umfassend Ecken und Ähnliches) bewirkten Kapillareffekte verhindern, dass Flüssigkeitstropfen andere Zellen benetzen und zusammenlaufen.
Vorzugsweise sind die Lücken größer als 25 µm oder sogar 50 µm. Optimale Abmessungen hängen im Allgemeinen von den Innenabmessungen der Strukturen, der Natur der Flüssigkeitsprobe und der Anzahl an Tropfen der Flüssigkeit, die je Zelle aufgetragen werden, usw. ab. In Ausführungsformen kann die Lücke 75 µm erreichen, wobei angemerkt sei, dass die maximale Größe der Tröpfchen typischerweise etwa 70 µm beträgt. Eine Lücke größer als 25 µm oder 50 µm stellt eine gute Lesbarkeit sicher, auch wenn ein preisgünstiges optisches Erfassungssystem benutzt wird. Da ein Tröpfchen eine Größe aufweist, die typischerweise etwa 70 µm oder weniger beträgt, wenn es von einer Tintenstrahldüse ausgestoßen wird, stellt eine größere Lücke (von z.B. 75 µm) sicher, dass ein Tropfen nicht zwei aneinandergrenzende Inseln überbrückt.
Typischerweise erfolgt das Auftragen der Flecken mit einem Abstand des Kopfs zur Oberfläche von ^~0,25 mm. Ein Teil des Tröpfchens kann verdampfen, bevor das Tröpfchen die Oberfläche erreicht (z.B. bis zu 20 %, abhängig von der relativen Feuchtigkeit der Umgebung). Ein Auftragen aus Abständen von mehr als 1 mm erhöht stark das Risiko einer Verdampfung des Tröpfchens und kann Probleme bereiten, wenn die Tröpfchen leicht schräg von dem Kopf ausgestoßen werden. Um dieses Problem abzuschwächen, können größere Lücken (z.B. von 75 µm) absehbar sein. Wenn eine Auftragsvorrichtung für Flecken aufgrund des Vorliegens einer Topographie auf der Oberfläche weiter weg von der Oberfläche angeordnet werden muss, dann können noch größere Lücken (≥ 75 µm) absehbar sein, dies macht jedoch typischerweise eine größere Standfläche für die Muster 61, 61a erforderlich und kann auch die Kosten der Einheit beeinflussen. Wenn hingegen der Kopf einer Tintenstrahl-Auftragsvorrichtung der Oberfläche der Einheit zu nah kommt, landet das Tröpfchen mit seiner maximalen Größe auf der Oberfläche, so dass eine Lücke von 75 µm ausreicht, um Platzierungsfehler zu vermeiden.
In Ausführungsformen ist die mittlere Tiefe der Strukturen größer oder gleich 5 µm. Die mittlere Tiefe wird senkrecht zu der mittleren Ebene der Oberfläche gemessen. Eine Tiefe von 5 µm ist in der Praxis ausreichend, um für ein zufriedenstellendes Festhalten des aufgetragenen Materials zu sorgen. Dennoch können größere Tiefen absehbar sein. Die Strukturen sollten jedoch vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass ermöglicht wird, dass der optische Code so sehr wie möglich coplanar mit den Testsignalen ist. Auf diese Weise können sowohl das Testergebnis als auch der optische Code unter Verwendung derselben Brennebene optisch ausgelesen werden. Die mittlere Tiefe der Strukturen sollte deswegen im Allgemeinen geringer als 50 µm sein.
Die mittlere Abmessung der Strukturen in der Ebene ist vorzugsweise größer oder gleich 100 µm und insbesondere kleiner als 500 µm. Die mittlere Abmessung der Strukturen in der Ebene wird parallel zu der mittleren Ebene der Oberfläche gemessen. Die mittleren Abmessungen der Strukturen in der Ebene entsprechen in Abhängigkeit von der Form, die für die Strukturen gewählt wird, z.B. der mittleren Seite eines Rechtecks oder eines Quadrats oder dem Durchmesser eines Kreises.
Daran erinnernd, dass die Lücken zwischen den Gitterstrukturen vorzugsweise größer als 10 µm sind, ist die Stufe oder der Mittenabstand des Gitters deswegen größer als 110 µm. Die Sicherstellung einer solchen minimalen Stufe führt dazu, dass nur sehr wenige oder keine Fehler vorliegen, wenn Flüssigkeit in die Pixelschablone aufgetragen wird, um Flecken 51, 52 zu bilden, wie die Erfinder beobachtet haben. Dies kann vorsichtig durch die Tatsache beschrieben werden, dass Tropfen von 50 µm bis 70 µm immer noch einfach erzeugt und präzise aufgetragen werden können, während das Erzeugen und Auftragen kleinerer Tropfen aufgrund der Gegenwirkung durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit schwieriger ist.
Es ist eine große Vielfalt von aufzutragenden Materialien, Abscheidungsflächen und Zellenstrukturen verschiedener Abmessungen getestet worden. Bei Verwendung von imprägnierbaren Materialien (ohne darauf strukturierte Zellen) können Flecken mit schönem Kontrast erhalten werden. Bei Verwendung von Zellen, die als Inseln strukturiert sind, wurden die besten Ergebnisse mit 100 µm breiten Inseln erhalten, die durch Lücken (Mulden) von 10 µm getrennt waren. Größere Lücken sind stärker sichtbar und können möglicherweise die Mustererkennung behindern; sie beeinträchtigen ferner die Dichte und somit die Standfläche des optisch lesbaren Mediums. Jedoch sollte die Mustererkennung immer noch möglich sein, auch mit größeren Lücken, solange das Muster in das Sichtfeld passt. Bei Verwendung von Zellen, die als Wannen oder Hohlräume strukturiert sind, wurden die besten Ergebnisse mit 100 µm breiten Wannen (Hohlräumen) erhalten, die durch Lücken von 10 µm bis 25 µm getrennt waren. Kleine Lücken (z.B. 10 µm) führen bereits zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Größere Lücken führen ebenfalls zu guten Ergebnissen, beeinträchtigen jedoch die Dichte und somit die Standfläche. Im Allgemeinen können für die Wannen- als auch für die Inselstrukturen dieselben Abmessungen der Zellen und der Lücken verwendet werden. Alles in allem werden Wannen gegenüber Inseln bevorzugt, da sie zu besseren optischen Eigenschaften führen.
Verfahren zum Decodieren von Informationen, die auf Mikrofluidik-Einheiten codiert sind
Gemäß einer anderen Erscheinungsform kann die Erfindung als ein Verfahren zum Decodieren von Informationen in einer Mikrofluidik-Einheit k, wie hierin beschrieben, verkörpert sein, wie nun in Bezug auf 15 beschrieben.
Hauptsächlich dreht sich ein solches Verfahren um das optische Auslesen S12 bis S16 von Informationen, die auf der Einheit k codiert sind, gemäß Schritten, die bereits im Abschnitt 3.1 beschrieben wurden. Im Wesentlichen wird ein dynamisches Muster erfasst, welches eine bestimmte Reihenfolge umfasst, in welcher Module aktiviert werden. Informationen, die in dem ausgelesenen dynamischen Muster codiert sind, werden anschließend decodiert S18, z.B. zu Verifikationszwecken.
Die Schritte S12 bis S16 können zum Beispiel unter Verwendung einer Handeinheit oder einer USB-Kamera oder irgendeiner spezialisierten oder anwendungsspezifisch ausgestalteten optischen Einheit ausgeführt werden, wie im Abschn. 3.1 beschrieben. Zusätzlich zu den ausgelesenen S14 Restmustern 62, 62a können auch die Anfangsmuster 61, 61a erfasst werden S12, d.h. in einem trockenen Zustand, bevor die entsprechenden Module aktiviert werden. Falls erforderlich, können weitere Informationen über die Einheit erhalten werden S10, z.B. vor dem Erfassen der optisch lesbaren Medien, gebildet durch die Muster 61 bis 62a. Z.B. kann im Schritt S10 lediglich ein Balkencode auf der Verpackung der Einheit ausgelesen werden.
Als Nächstes können Informationen, die in den verschiedenen ausgelesenen Mustern codiert sind, zusammen mit der Reihenfolge, in welcher die Restmuster erscheinen, im Schritt S18 unter Verwendung irgendeines geeigneten Algorithmus decodiert werden, der in situ (z.B. direkt an der Handeinheit oder dem Detektor) oder entfernt (die ausgelesenen Daten werden zur Verifikation an einen Server gesendet) realisiert wird.
Das Decodieren S18 erfolgt typischerweise nach der Verwendung der Einheit 1 bis 6. Es kann sein, dass mehrere Muster 61, 61a, 62, 62a optisch ausgelesen und decodiert werden. Alle Muster können dann an einem anschließenden Verifikationsverfahren S18 beteiligt sein. Falls erforderlich, wird außerdem ein Balkencode auf der Verpackung der Testeinheit gelesen S10, um die Sicherheit zu verstärken, wie in 14 und 15 angenommen. Das heißt, Daten, die einerseits in den Schritten S10 und andererseits in den Schritten S12 bis S16 ausgelesen werden, können in dem Sinn komplementär sein, dass die anfangs (im Schritt S10) ausgelesenen Daten notwendig sein können, um Daten zu interpretieren, die anschließend erfasst werden (S12 bis S16) und den Test zu überprüfen.
Im Allgemeinen kann das ausgelesene dynamische Muster verwendet werden, um den Test zu ergänzen, um während des Verifikationsschritts S18 seine Gültigkeit (technisch ausgedrückt) oder seine Echtheit (Sicherheitszwecke) zu überprüfen. In Ausführungsformen umfasst der Schritt S18 Authentifizieren der Mikrofluidik-Einheit k auf Grundlage der decodierten Informationen. Authentifizieren bedeutet hier Sicherstellen der Authentizität der Einheit und sollte in weitem Sinn interpretiert werden. Diese Authentifizierung basiert zumindest auf den decodierten Informationen, obwohl in diesem Schritt zusätzliche Berechtigungsnachweise des Benutzers und/oder der Einheit benötigt werden können.
Die Authentifizierung kann ferner auf zusätzlichen Informationen basieren, z.B. eine Kennung der Einheit k, die mit dieser bereitgestellt und im Schritt S10 gescannt oder ausgelesen wird. Diese zusätzlichen Informationen können z.B. mittels einer zusätzlichen maschinenlesbaren optischen Markierung bereitgestellt werden. Sie können beispielsweise auf einer Oberfläche der Einheit, einer Verpackung oder einer Dokumentation derselben bereitgestellt werden. Diese zusätzliche optische Markierung kann insbesondere als ein zweidimensionaler Balkencode auf einem Aufkleber bereitgestellt werden, der auf eine Außenfläche der Einheit geklebt wird. In Varianten kann diese zusätzliche optische Markierung auf einer Verpackung der Einheit oder auf einer zugehörigen Dokumentation bereitgestellt werden. Das Bereitstellen dieser Informationen direkt auf der Einheit verringert jedoch das Risiko einer ungewollten oder böswilligen Verwendung.
Im Verifikationsschritt S18 wird vorzugsweise sowohl von den ausgelesenen, in den Mustern 61, 61a, 62, 62a codierten Schlüsseln als auch von Reihenfolgeninformationen über die Reihenfolge Gebrauch gemacht, in welcher die versteckten Schlüssel erhalten wurden. Um die Verifikationsschritte zu bestehen, müssen die Schlüssel zu den Reihenfolgeninformationen passen. Die Verifikation kann gemäß einem Challenge-Response-Algorithmus verarbeitet werden, wobei z.B. der Satz ausgelesener Schlüssel als eine Aufgabe (Challenge) dient, während die Reihenfolge, in welcher sie erschienen sind, als eine Lösung (Response) dient. Die Schlüssel können beispielsweise lediglich als Hash-Codes der vorgesehenen Reihenfolge erhalten werden, wobei verschiedene Hash-Funktionen verwendet werden. In Varianten dienen die im Schritt S10 ausgelesenen Anfangsinformationen als eine Aufgabe (Challenge), für welche der Satz von Schlüsseln, der zusammen mit der Reihenfolge ausgelesen wird, in welcher sie erschienen sind, als eine Lösung (Response) dient. Es können viele Varianten absehbar sein.
Codieren von Informationen in Mikrofluidik-Einheiten
Gemäß einer letzten Erscheinungsform kann die Erfindung als ein Verfahren zum Codieren von Informationen in einer Mikrofluidik-Einheit k, wie im Abschnitt 2 beschrieben, verkörpert sein.
Grundsätzlich bestehen solche Verfahren aus dem Ändern eines Teilsatzes der Knoten k20, um zu ermöglichen, dass die Knoten k20 sowohl in dem ersten Satz als auch in dem zweiten Satz von Knoten unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen. Die Knoten werden in Übereinstimmung mit der Reihenfolge geändert, in welcher die Module zu verbinden sind. In der Praxis wird für eine Charge von Einheiten, die herzustellen sind, ein gegebenes Verbindungsschema angenommen, wobei das Schema als Codierungsinformationsdaten bereitgestellt wird, die in ein Werkzeug eingegeben werden, welches die Knoten anschließend entsprechend ändert (z.B. aktiviert oder deaktiviert).
Außerdem müssen, wo optisch lesbare Markierungen erwünscht sind, zusätzliche Informationen als Muster 61, 61a, 62, 62a in einem oder mehreren der Module codiert werden. Dies kann durch ein Verfahren erreicht werden, wie in 16 dargestellt. Hier werden auf Grundlage zusätzlicher Codierungsinformationen S20 Muster 61 bis 62a entworfen S24 und dann direkt auf den Einheiten gebildet, z.B. durch Auftragen S26 bis S28 von Elementen 51, 52, um die Muster 61 bis 62a zu bilden. Die benötigten Informationen werden durch Techniken, die auf dem Fachgebiet allgemein bekannt sind, und gemäß Verfahren, die orthogonal zu der vorliegenden Erfindung sind, in einer vorhergehenden Phase erzeugt S20 und umgesetzt S24.
Wo die Elemente 51, 52 unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen (z.B. lösliche und unlösliche Elemente, die komplementäre Muster bilden), werden diese typischerweise in verschiedenen Abscheidungsschritten S26, S28 abgeschieden. Die Elemente können zum Beispiel unter Verwendung einer Tintenstrahl-Auftragsvorrichtung oder durch Stiftauftrag oder Federauftrag aufgetragen werden, wie es per se bekannt ist.
Permutierte Codierung
Ein binäres Codierungsschema mit n-Bits ergibt eine Anzahl von $\sum_{k = 0}^{n} (_{k}^{n}) = 2^{n}$
individuellen Codes, wobei k die Anzahl der eingestellten Bits ist. Wenn nun der Code in Teile unterteilt wird und jeder Teil in einem entsprechenden Modul gedruckt wird, wie in Ausführungsformen, dann können unterschiedliche Teile des Codes unabhängig voneinander in einer Reihenfolge geändert werden, die durch die Zustände der Knoten bestimmt wird. Ein solches Schema wird hier als „permutierte Codierung“ bezeichnet. In einer Einheit mit m Modulen und m × (m + 1) Knoten gibt es m! mögliche Strömungswege, die programmiert werden können, wenn jedes Modul einmal zu verwenden ist, wie bereits erwähnt. Deswegen ist die Anzahl individueller Codes, die aus den Modulen ausgelesen werden können, $\sum_{k = 0}^{n} (_{k}^{n}) m! = 2^{n} m! .$
Die äquivalente Bit-Tiefe, die von der Auslesevorrichtung ausgelesen wird, ist dann n + log₂ m!. Somit werden durch die permutierte Codierung im Ergebnis log₂ m! zusätzliche Bits zu einer einfachen binären Codierung hinzugefügt. Die Komplexität des Codes wird erst recht erhöht, wenn die Anzahl der Bits je Modul gering ist. Die Komplexität des Codes nähert sich für großes n und kleines m der einer binären Codierung.
Außerdem, und wie bereits erwähnt, kann das Matrixfeld der Knoten, welche die Sequenz der Änderung von Blöcken bestimmen, für den Beobachter versteckt gehalten werden. Die Sequenz wird nur sichtbar, wenn das Sicherheitsmerkmal mit einer Flüssigkeit gefüllt wird, eine Eigenschaft, durch welche ein weiteres Sicherheitsniveau gegen Fälscher hinzugefügt wird.
Eine permutierte Codierung erfordert eine Abscheidung von zusätzlichen Flecken zur Knotenaktivierung, was möglicherweise die Code-Schreibzeit und die Herstellungskosten erhöhen kann. Die Gesamt-Codierzeit für eine gegebene Charge bei m = 1 (binäre Codierung) beträgt $\sum_{k = 0}^{n} a k (_{k}^{n}) = a n 2^{n - 1},$
wobei k die Anzahl der eingestellten Bits ist und a die benötigte Zeit zum Auftragen eines Bits ist. Dann wird ein einzelner Chip innerhalb einer mittleren Zeit von $\frac{a n 2^{n - 1}}{2^{n}} = \frac{a n}{2}$
codiert. Für eine permutierte Codierung werden m zusätzliche Flecken abgeschieden. Dann wird die Gesamtzeit zum Codieren einer Charge $\sum_{k = 0}^{n} a (k +$
$m) (\begin{matrix} n \\ k \end{matrix}) m!$
und die mittlere Zeit beträgt $\frac{a}{2^{n} m!} \sum_{k = 0}^{n} (k + m) (_{k}^{n}) m! = \frac{a (n + 2 m)}{2} .$
Wie die Erfinder der vorliegenden Erfindung beobachtet haben, wird das Schreiben der permutierten Codierung für m ≥ 9 schneller als das einer binären Codierung. Für m ≤ 8 wird der Effekt der zusätzlichen Schreibzeit bei mehr als 64 Bits des gelesenen Codes vernachlässigbar. Somit können die Bit-Schreibparameter in geeigneter Weise so gewählt werden, dass eine permutierte Codierung zu keinem zusätzlichen Zeitaufwand führt oder der zusätzliche Zeitaufwand vernachlässigbar ist.
Jedoch erfordert die Realisierung einer permutierten Codierung deutlich mehr Raum als die einer binären Codierung. Für eine binäre Codierung ändert sich die benötigte Fläche linear mit der Anzahl der Bits, so dass die benötigte Code-Fläche $\frac{n}{d}$
ist, wobei n die Anzahl der Bits ist und d die Bit-Dichte ist.
Eine permutierte Codierung umfasst zusätzliche Knoten und Mikrofluidik-Kanäle, für welche die Merkmalsdichte beträchtlich niedriger ist als die Bit-Dichte. Dann beträgt die benötigte Gesamtfläche $\frac{n}{d} + \frac{m^{2} + m}{v},$
wobei v die Merkmalsdichte ist.
Ein Parameter, der vorteilhaft für die Realisierung geordneter Codes in Betracht gezogen werden kann, ist die freie Chip-Fläche. Sobald der verfügbare Raum bestimmt ist, wird die Komplexität des Codes maximiert, indem die Anzahl der Module und der Bits je Modul erhöht wird, wobei ein Modul einen Teil des Codes enthält.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen und Varianten und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Ersetzungen durch Äquivalente erfolgen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein Merkmal (Vorrichtungsmerkmal oder Verfahrensmerkmal), das in einer gegebenen Ausführungsform oder Variante zitiert oder in einer Zeichnung dargestellt ist, in einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung mit einem anderen Merkmal kombiniert werden oder ein anderes Merkmal ersetzen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend können verschiedene Kombinationen der in Bezug auf beliebige der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschriebenen Merkmale vorgesehen sein, welche innerhalb des Umfangs der anhängenden Patentansprüche bleiben. Außerdem können viele kleinere Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Deswegen soll die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die unter den Umfang der anhängenden Patentansprüche fallen. Außerdem können viele andere Varianten als die oben ausdrücklich angesprochenen vorgesehen sein. Beispielsweise könnten für die Mikrofluidik-Chips verschiedene Materialien verwendet werden, wie z.B. Polydimethylsiloxan (PDSM), Glas oder Metall-Wafer. Als ein weiteres Beispiel können andere Arten von Ventilen vorgesehen sein, z.B. passive oder aktive Mikroventile, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind.

Claims

Verfahren zum optischen Auslesen von Informationen, die in einer Mikrofluidik-Einheit codiert sind, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen der Mikrofluidik-Einheit, aufweisend: einen Eingabe-Mikrokanal; mindestens zwei Mikrofluidik-Module; und zwei Sätze von Knoten von jeweils mindestens zwei Knoten, umfassend einen ersten Satz und einen zweiten Satz, wobei: jeder Knoten des ersten Satzes den Eingabe-Mikrokanal mit einem entsprechenden der mindestens zwei Mikrofluidik-Module verbindet, jeder Knoten des zweiten Satzes ein entsprechendes geordnetes Paar von zwei der mindestens zwei Mikrofluidik-Module verbindet, und die Knoten sowohl in dem ersten Satz als auch in dem zweiten Satz von Knoten unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten aufweisen; Laden von Flüssigkeit in den Eingabe-Mikrokanal, wodurch diese Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gelangt, in einer Reihenfolge, die durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten bestimmt wird; und optisches Auslesen eines dynamischen Musters, das durch die Flüssigkeit bewirkt wird, wobei das Muster dynamisch gemäß der Reihenfolge entsteht, in welcher die Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das optische Auslesen des dynamischen Musters aufweist: das optische Auslesen des dynamischen Musters weist Erfassen einer Änderung des optischen Kontrasts der mindestens zwei Mikrofluidik-Module auf, bewirkt durch die Flüssigkeit, wenn die Flüssigkeit durch jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gelangt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei mindestens eines der mindestens zwei Mikrofluidik-Module der bereitgestellten Einheit aufweist: ein optisch lesbares Medium, welches ein Muster von Materialflecken bildet, die auf einem Strömungsweg davon angeordnet sind, wobei die Flecken durch visuelle Untersuchung nicht erkennbar sind; und das optische Auslesen des dynamischen Musters Erfassen der Änderung des optischen Kontrasts des Musters von Flecken aufweist, bewirkt durch die Flüssigkeit, wenn letztere das Muster von Flecken benetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der mindestens zwei Mikrofluidik-Module der bereitgestellten Einheit aufweist: ein optisch lesbares Medium, welches ein Muster von Materialflecken bildet, die auf einem Strömungsweg davon angeordnet sind, wobei die Flecken erste Flecken eines ersten Materials und zweite Flecken eines zweiten Materials umfassen, wobei das erste Material weniger löslich in der geladenen Flüssigkeit als das zweite Material ist; und das optische Auslesen des dynamischen Musters optisches Auslesen eines Restmusters aufweist, das durch die ersten Flecken gebildet wird, nachdem die zweiten Flecken beginnen, in der Flüssigkeit, die in dem mindestens einen der Mikrofluidik-Module fließt, gelöst und von dieser weggespült zu werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: jedes der mindestens zwei Mikrofluidik-Module der bereitgestellten Einheit ein optisch lesbares Medium aufweist, welches ein Muster von Materialflecken bildet, die auf einem Strömungsweg davon angeordnet sind; und das optische Auslesen des dynamischen Musters optisches Auslesen von Restmustern aufweist, die durch die ersten Flecken in jedem der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gebildet werden, nachdem die zweiten Flecken beginnen, in der Flüssigkeit, die in jedem der Mikrofluidik-Module fließt, gelöst und von dieser weggespült zu werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das optische Auslesen des dynamischen Musters ferner optisches Auslesen von Anfangsmustern aufweist, die sowohl durch die ersten Flecken als auch durch die zweiten Flecken in jedem der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Restmuster der optisch lesbaren Medien der mindestens zwei Mikrofluidik-Module der bereitgestellten Einheit entsprechende Schlüssel codieren, welche einen Satz unterschiedlicher Schlüssel bilden, und wobei das Verfahren ferner aufweist: Speichern optisch ausgelesener Informationen über die entsprechenden Schlüssel; und Speichern von Reihenfolgeninformationen über die Reihenfolge, in welcher Informationen über die entsprechenden Schlüssel optisch ausgelesen wurden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Flecken jedes optisch lesbaren Mediums in jedem der mindestens zwei Mikrofluidik-Module gemäß einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Mittenabstand zwischen benachbarten Zellen des Gitters größer oder gleich 110 µm ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Gitter q × r Zellen aufweist, wobei q und r jeweils größer oder gleich 4 sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Knoten jedes der zwei Sätze von Knoten der bereitgestellten Einheit in der Einheit verborgen sind, so dass sie für einen Benutzer der Einheit nicht sichtbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Knoten jedes der mindestens zwei Sätze so konfiguriert sind, dass ermöglicht wird, dass jeder der Knoten eine Flüssigkeit entweder bei sich festhält oder durchlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bereitgestellte Mikrofluidik-Einheit aufweist: einen Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen, m ≥ 2; einen Satz von m Mikrofluidik-Modulen entsprechend in Fluidkommunikation mit dem Satz von m Verteilungs-Mikrokanälen; und einen Satz von m Ausgabe-Mikrokanälen, welche jeweils mit einem Ausgang eines entsprechenden der m Mikrofluidik-Module verbunden sind, wobei: der erste Satz m Knoten aufweist, welche jeweils von dem Eingabe-Mikrokanal abzweigen und weiter zu einem entsprechenden der Verteilungs-Mikrokanäle abzweigen, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Eingabe-Mikrokanal und dem Verteilungs-Mikrokanal einzurichten, der zweite Satz m Teilsätze von jeweils m Knoten aufweist, jeder der m Ausgabe-Mikrokanäle in jeden der m Knoten eines entsprechenden der m Teilsätze von m Knoten abzweigt, und Knoten unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten in jedem des ersten Satzes und in jedem der m Teilsätze von Knoten des zweiten Satzes aufweisen, so dass die Reihenfolge, in welcher eine Flüssigkeit, die in den Eingabe-Mikrokanal eingeführt wird, durch jedes der m Mikrofluidik-Module gelangt, durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten des ersten Satzes und der m Teilsätze bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die bereitgestellte Mikrofluidik-Einheit als eine Testeinheit für diagnostische Testungen konfiguriert ist; und mindestens eines der m Mikrofluidik-Module einen Strömungsweg aufweist, der Reagenzien aufweist, um die diagnostische Testung zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die geladene Flüssigkeit zuerst durch jedes der mindestens einen der m Mikrofluidik-Module gelangt, welches die Reagenzien aufweist, bevor sie gemäß der Reihenfolge, die durch die unterschiedlichen Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten der Knoten sowohl des ersten Satzes als auch des zweiten Satzes bestimmt wird, durch restliche Module der m Mikrofluidik-Module gelangt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Satz von Knoten und der zweite Satz von Knoten der bereitgestellten Einheit zusammen m + 1 Sätze von m Knoten bilden, welche als ein Matrixfeld von m x (m + 1) Knoten in einer Koordinaten-Schaltkonfiguration angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die bereitgestellte Mikrofluidik-Einheit verschiedene parallele Niveaus aufweist, umfassend ein erstes Niveau und ein zweites Niveau, und sowohl der Eingabe-Mikrokanal als auch die Ausgabe-Mikrokanäle auf dem ersten Niveau definiert sind, während die Verteilungs-Mikrokanäle auf dem zweiten Niveau definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei zumindest ein Teilsatz der Knoten der m + 1 Sätze von m Knoten jeweils aufweist: einen Hohlraum, der auf dem ersten Niveau ausgebildet ist, wobei der Hohlraum auf einer oberen Seite offen ist; einen Einlaufanschluss auf dem ersten Niveau, wobei der Einlaufanschluss von dem Eingabe-Mikrokanal oder einem der Ausgabe-Mikrokanäle abzweigt und durch einen Zugang zu dem Hohlraum mit diesem kommuniziert; einen Auslaufanschluss, welcher zu einem der Verteilungs-Mikrokanäle auf dem zweiten Niveau abzweigt; und eine Durchlassöffnung, welche sich von dem Hohlraum zu dem Auslaufanschluss erstreckt, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Hohlraum und dem Auslaufanschluss einzurichten, wobei: der Hohlraum ein Flüssigkeitssperrelement aufweist, welches so konfiguriert ist, dass es verhindert, dass eine wässrige Flüssigkeit, welche den Einlaufanschluss füllt, den Auslaufanschluss erreicht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei sich die Durchlassöffnung auf einem dritten Niveau der Einheit zwischen dem ersten Niveau und dem zweiten Niveau von einer unteren Seite des Hohlraums, die gegenüber einer Position der oberen Seite des Hohlraums positioniert ist, nach unten zu dem Auslaufanschluss erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: optisches Auslesen von Informationen, die in der Mikrofluidik-Einheit codiert sind, durch Realisieren aller Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1; und Decodieren von Informationen, die in dem ausgelesenen dynamischen Muster codiert sind.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner aufweisend: Authentifizieren der Mikrofluidik-Einheit auf Grundlage der decodierten Informationen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Authentifizieren der Mikrofluidik-Einheit ferner auf einer Kennung der Einheit basiert, die damit bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die mindestens zwei Mikrofluidik-Module der bereitgestellten Einheit entsprechende optisch lesbare Medien aufweisen, welche entsprechende Schlüssel codieren, die einen Satz unterschiedlicher Schlüssel bilden, das optische Auslesen von Informationen optisches Auslesen von Informationen über die entsprechenden Schlüssel aufweist und wobei das Verfahren ferner aufweist: Speichern optisch ausgelesener Informationen über die entsprechenden Schlüssel sowie Reihenfolgeninformationen über die Reihenfolge, in welcher Informationen über die entsprechenden Schlüssel optisch ausgelesen wurden; und das Decodieren von Informationen Interpretieren der mindestens zwei Schlüssel aufweist, die zusammen mit den Reihenfolgeninformationen ausgelesen wurden.
Verfahren zum Codieren von Informationen in einer Mikrofluidik-Einheit, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen von Codierungsinformationsdaten und einer Mikrofluidik-Einheit, wobei die Mikrofluidik-Einheit aufweist: einen Eingabe-Mikrokanal; mindestens zwei Mikrofluidik-Module; und zwei Sätze von Knoten von jeweils mindestens zwei Knoten, umfassend einen ersten Satz und einen zweiten Satz, wobei jeder Knoten des ersten Satzes den Eingabe-Mikrokanal mit einem entsprechenden der mindestens zwei Mikrofluidik-Module verbindet, jeder Knoten des zweiten Satzes ein entsprechendes geordnetes Paar von zwei der mindestens zwei Mikrofluidik-Module verbindet, und die Knoten sowohl in dem ersten Satz als auch in dem zweiten Satz von Knoten änderbar sind, so dass eine Flüssigkeits-Festhaltefähigkeit jedes der Knoten änderbar ist; und Ändern eines Teilsatzes, aber nicht aller, der Knoten auf Grundlage der bereitgestellten Codierungsinformationsdaten, so dass die Knoten unterschiedliche Flüssigkeits-Festhaltefähigkeiten sowohl in dem ersten Satz als auch in dem zweiten Satz von Knoten aufweisen.