DE212016000165U1 - Mikrofluidikvorrichtungen - Google Patents

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Abstract

Mikrofluidikvorrichtung, umfassend:eine Disk, umfassend mindestens eine Mikrofluidikkanalbahn, der sich radial nach außen von einem Zentrum der Disk erstreckt, wobei die mindestens eine Kanalbahn umfasst:einen Einlass zum Aufnehmen einer Probe;eine erste Kammer, die fluidisch mit dem Einlass verbunden ist;eine zweite Kammer, die fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist, wobei die zweite Kammer radial innerhalb in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist;mindestens eine dritte Kammer, die fluidisch mit der zweiten Kammer über einen Auslasskanal verbunden ist, wobei die mindestens eine dritte Kammer radial außerhalb der zweiten Kammer positioniert ist; undmindestens eine vierte Kammer, die fluidisch mit der mindestens einen dritten Kammer verbunden ist und radial außerhalb der mindestens einen dritten Kammer positioniert ist;wobei mindestens eine der ersten, zweiten, dritten oder vierten Kammern mindestens ein Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, enthält.

Description

  • Nach den Bestimmungen des Gebrauchsmustergesetzes unterliegen nur Geräte und Vorrichtungen, wie sie in den anliegenden Schutzansprüchen definiert sind, dem Schutz und dem Gebrauchsmuster, nicht aber Verfahren. Soweit in der nachstehenden Beschreibung gegebenenfalls auf Verfahren Bezug genommen wird, dienen diese Hinweise nur zur exemplarischen Erläuterung der mit den anliegenden Schutzansprüchen geschützten Vorrichtungen und Geräte.
  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/202.353 , eingereicht am 7. August 2015, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Mikrofluidikvorrichtungen und -systeme, die bei der Probenaufbereitung, z.B. zur Unterstützung bei einem medizinischen Screening und/oder einer medizinischen Diagnose, von Nutzen sind.
  • HINTERGRUND
  • Mikrofluidikvorrichtungen und -systeme können zur Prüfung einer biologischen Probe von einem Subjekt auf einen oder mehrere interessierende Analyten verwendet werden. Zum Beispiel kann oder können der oder die Analyt(en) Biomarker sein, die mit einem Gesundheitszustand, etwa einer Krankheit, assoziiert sind. Daten zum Vorhandensein oder Fehlen verschiedener Biomarker und zur Menge und zum Spiegel jedes in der Probe vorhandenen Biomarkers können analysiert werden, um diagnostische Informationen für das Subjekt zu erhalten.
  • Mikrofluidikplattformen können eine attraktive Alternative zu traditionellen Labortests für einige Anwendungen bieten. Mikrofluidiksysteme sind allgemein gekennzeichnet durch eine kleine Instrumentengröße, relativ niedrigen Energieverbrauch und relativ geringe Volumen von biologischen Proben und Reagenzien, die für eine Analyse notwendig sind. Obwohl diese Systeme sich in ihren Ansätzen zu Fluidbewegungs- und Nachweisschemata unterscheiden, bieten viele kostengünstige, schnelle und leicht anzuwendende Alternativen zu traditionellen diagnostischen Tests. Es besteht jedoch fortwährend eine Notwendigkeit, das für eine Analyse benötigte Volumen sowohl von Proben als auch von Testreagenzien zu verringern und die Komplexität und Größe von Mikrofluidikplattformen zu verringern, während dennoch die präzise Bewegung von Reagenzien und Proben innerhalb des Systems gefördert wird. Es gibt auch Bestrebungen zu teilweise oder vollkommen automatischen Mikrofluidiksystemen und dazu, diese zu befähigen, unabhängig zu arbeiten, ohne die Unterstützung von externen Flüssigkeitshandhabungsvorrichtungen. Es besteht auch eine Notwendigkeit, die Kosten von Mikrofluidikvorrichtungen zu verringern und deren Effizienz zu erhöhen. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können einen oder mehrere dieser Mängel ansprechen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Mikrofluidikvorrichtungen. Eine beispielhafte Mikrofluidikvorrichtung kann eine Disk einschließen, die mindestens eine Mikrofluidikkanalbahn aufweist, die sich radial nach außen von einem Zentrum der Disk erstreckt. Die Kanalbahn kann einen Einlass zur Aufnahme einer Probe, eine erste Kammer, die mit dem Einlass fluidisch verbunden ist, und eine zweite Kammer, die radial nach innen in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist und fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist, einschließen. Die Kanalbahn kann auch mindestens eine dritte Kammer einschließen, die radial außerhalb der zweiten Kammer positioniert ist und fluidisch mit der zweiten Kammer über einen Auslasskanal verbunden ist. Die Kanalbahn kann mindestens eine vierte Kammer einschließen, die fluidisch mit der mindestens einen dritten Kammer verbunden ist und radial außerhalb der mindestens einen dritten Kammer positioniert ist. Mindestens eine der ersten, zweiten, dritten oder vierten Kammern kann mindestens ein Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, enthalten.
  • Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer eine Breite haben, die geringer ist als die Breite von entweder der ersten Kammer oder der zweiten Kammer; kann die zweite Kammer fluidisch mit einer Kompressionskammer verbunden sein, die an einer gleichen oder ähnlichen radialen Position in Bezug zu der zweiten Kammer positioniert ist; kann der Auslasskanal zwischen der zweiten Kammer und der mindestens einen dritten Kammer gekrümmt sein und kann eine radiale Einwärtskrümmung und eine radiale Auswärtskrümmung umfassen; kann die mindestens eine Kanalbahn einen Hauptkanal umfassen, der den Auslasskanal mit der mindestens einen dritten Kammer verbindet, wobei der Hauptkanal sich in eine Richtung quer zu einer radialen Richtung der Disk erstreckt; kann der Hauptkanal in Verbindung mit einem Überlaufkanal sein, um Fluid aufzunehmen, die über die Fluidmenge, die in die mindestens eine dritte Kammer eintritt, hinausgeht; kann die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen dritten Kammer und der mindestens einen vierten Kammer ein erstes Ventil einschließen; kann die mindestens eine Kanalbahn ferner mindestens eine fünfte Kammer umfassen, die fluidisch mit der mindestens einen vierten Kammer verbunden ist und radial außerhalb der mindestens einen vierten Kammer positioniert ist, wobei die Fluidverbindung zwischen der vierten und fünften Kammer ein zweites Ventil einschließt; kann das erste Ventil ausgebildet sein, sich als Reaktion auf einen ersten Kraft-Schwellenwert zu öffnen, und kann das zweite Ventil ausgebildet sein, sich in Reaktion auf einen zweiten Kraft-Schwellenwert öffnen, wobei der zweite Kraft-Schwellenwert größer als der erste Kraft-Schwellenwert ist; kann ein Ende des mindestens einen Mikrofluidikkanals, unmittelbar am Rand der Disk, sich verjüngen; kann mindestens eine sechste Kammer fluidisch mit der mindestens einen vierten Kammer verbunden sein, wobei ein Ende der mindestens einen sechsten Kammer das Ende des mindestens einen Mikrofluidikkanals definiert; kann das mindestens eine Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, eine Vielzahl von auf Mikrobeads befestigten Molekülen oder eine Vielzahl von auf einer Wand der Disk befestigten Molekülen umfassen; kann jedes Molekül der Vielzahl von Molekülen ausgebildet sein, einen Analyten, der aus einem Oligonukleotid, einem Protein oder einem Kleinmolekül ausgewählt ist, einzufangen; kann das mindestens eine Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, ein Dichtemedium umfassen; kann die mindestens eine vierte Kammer eine Vielzahl von vierten Kammern parallel zueinander umfassen; kann jede vierte Kammer in Fluidverbindung mit einer entsprechenden fünften Kammer und einer entsprechenden sechsten Kammer sein; und kann die Disk eine Vielzahl von Kanalbahnen umfassen, wobei jede Kanalbahn sich vom Zentrum der Disk radial nach außen erstreckt, und kann das Zentrum der Disk eine Öffnung umfassen.
  • Die vorliegende Offenbarung schließt ferner eine Mikrofluidikvorrichtung ein, umfassend eine Disk, die mindestens eine Mikrofluidikkanalbahn, die sich von einem Zentrum der Disk radial nach außen erstreckt, aufweist. Die mindestens eine Kanalbahn kann einen Einlass zur Aufnahme der Probe, eine erste Kammer, die fluidisch mit dem Einlass verbunden ist, eine zweite Kammer, die fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist, wobei die zweite Kammer radial nach innen in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist, einen Auslasskanal, der fluidisch mit der zweiten Kammer verbunden ist und sich von der zweiten Kammer zu einem Hauptkanal erstreckt, der sich radial außerhalb der zweiten Kammer befindet, und eine Vielzahl von dritten Kammern, die fluidisch mit dem Hauptkanal verbunden sind, umfassen. Die mindestens eine Kanalbahn kann auch eine Vielzahl von vierten Kammern umfassen, wobei jede vierte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden dritten Kammer verbunden ist und radial außerhalb dieser positioniert ist, und eine Vielzahl von fünften Kammern umfassen, wobei jede fünfte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden vierten Kammer verbunden ist und radial außerhalb dieser positioniert ist. Mindestens eine der ersten, zweiten, dritten, vierten oder fünften Kammern enthält mindestens ein Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist.
  • Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann jede fünfte Kammer der Vielzahl von fünften Kammern eine Dichtemedium enthalten; kann die zweite Kammer fluidisch mit einer Kompressionskammer verbunden sein, die an einer gleichen oder ähnlichen radialen Position in Bezug zu der zweiten Kammer positioniert ist; kann der Auslasskanal eine radiale Einwärtskrümmung und eine radiale Auswärtskrümmung einschließen; kann die Fluidverbindung zwischen jeder dritten Kammer und jeder vierten Kammer ein Berstventil umfassen, das ausgebildet ist, sich als Reaktion auf einen Zentrifugalkraft-Schwellenwert zu öffnen; kann die Disk eine Vielzahl von Kanalbahnen umfassen, wobei jede Kanalbahn sich vom Zentrum der Disk radial nach außen erstreckt, und kann jede Kanalbahn mindestens ein Reagens umfassen, mit dem die Disk vorbeladen ist, wobei das Reagens ausgebildet ist, einen Analyten, der aus einem Oligonukleotid, einem Protein oder einem Kleinmolekül ausgewählt ist, einzufangen; und kann jede Kanalbahn eine Vielzahl von auf Mikrobeads befestigten Molekülen oder eine Vielzahl von auf einer Wand der Disk befestigten Molekülen umfassen, wobei die Vielzahl von Molekülen jeder Kanalbahn ausgebildet ist, einen von den anderen Kanalbahnen unterschiedlichen Analyten einzufangen.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf eine Mikrofluidikvorrichtung, umfassend eine Disk, die mindestens eine Kanalbahn aufweist, die sich in Bezug zu einer zentralen Öffnung der Disk radial nach außen erstreckt. Die mindestens eine Kanalbahn kann einen Einlass zur Aufnahme einer Probe, eine erste Kammer, die fluidisch mit dem Einlass verbunden ist, eine zweite Kammer, die fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist umfassen, wobei die zweite Kammer radial nach innen in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist, wobei die Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer eine Breite hat, die geringer als die Breite von entweder der ersten Kammer oder der zweiten Kammer ist, und einen Auslasskanal, der fluidisch mit der zweiten Kammer verbunden ist und sich von der zweiten Kammer zu einem Hauptkanal erstreckt, der sich radial außerhalb der zweiten Kammer befindet, wobei der Hauptkanal in Verbindung mit einem Überlaufkanal zur Aufnahme von überschüssigem Fluid ist. Die Kanalbahn kann auch eine Vielzahl von dritten Kammern umfassen, wobei jede dritte Kammer fluidisch mit dem Hauptkanal verbunden ist und sich von dem Hauptkanal radial nach außen erstreckt, eine Vielzahl von vierten Kammern umfassen, wobei jede vierte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden dritten Kammer verbunden ist, wobei ein Ventil in der Fluidverbindung zwischen jeder vierten Kammer und jeder dritten Kammer positioniert ist und wobei jede vierte Kammer mindestens ein Reagens enthält, eine Vielzahl von fünften Kammern umfassen, wobei jede fünfte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden vierten Kammer verbunden ist und radial außerhalb davon positioniert ist, wobei jede fünfte Kammer ein Dichtemedium enthält, und eine Vielzahl von sechsten Kammern umfassen, wobei jede sechste Kammer fluidisch mit einer entsprechenden fünften Kammer verbunden ist und radial außerhalb davon positioniert ist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann jede vierte Kammer eine Vielzahl von Molekülen enthalten, die auf Mikrobeads befestigt sind, wobei jedes Molekül ausgebildet ist, einen Analyten einzufangen, der ausgewählt ist aus einem Oligonukleotid, einem Protein oder einem Kleinmolekül; und kann jedes Molekül einen Antikörper umfassen, der konfiguriert ist, einen Biomarker von Brustkrebs einzufangen.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Detektieren von mindestens einem Analyten einer Fluidprobe unter Verwendung der hier beschriebenen Vorrichtungen. Das Verfahren kann das Einbringen der Fluidprobe in den Einlass der Disk, das Rotieren der Disk, so dass die Fluidprobe radial nach außen durch die mindestens eine Kanalbahn fließt, um sich mit einer Vielzahl von Fängermolekülen zu verbinden, mit denen die Disk vorbeladen ist, und das Detektieren eines Signals von der Disk, das ein Vorhandensein von dem mindestens einen Analyten anzeigt, umfassen. Die Fluidprobe kann Blut umfassen, und der mindestens eine Analyt kann ein Biomarker sein, der mit einem Gesundheitszustand assoziiert ist.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Schrift einbezogen sind und einen Teil dieser Schrift darstellen, veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zur Erklärung der Prinzipien der offenbarten Ausführungsformen. Alle Merkmale einer hier beschriebenen Ausführungsform (z.B. Vorrichtung, Zusammensetzung, System, Herstellungsverfahren oder Prozess etc.) können mit jeder anderen Ausführungsform kombiniert werden und sind von der vorliegenden Offenbarung umfasst.
    • 1 zeigt eine beispielhafte Mikrofluidikdisk in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 zeigt eine beispielhafte Mikrofluidikdisk in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 zeigt einen Abschnitt einer beispielhaften Mikrofluidikdisk in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 zeigt eine beispielhafte Mikrofluidikdisk in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 zeigt beispielhafte Komponenten einer Disk in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 6 zeigt beispielhafte Komponenten einer Mikrofluidikvorrichtung oder eines Mikrofluidiksystems in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 zeigt einen beispielhaften Behälter eines Mikrofluidiksystems in Übereinstimmung mit einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Beispielhafte Aspekte der vorliegenden Offenbarung umfassen Mikrofluidikvorrichtungen und-systeme, die von Nutzen sind bei der Probenaufbereitung, dem Messen, dem Mischen mit Reagenzien und/oder der Sedimentation zum Einfangen von Analyten und zum Abtrennen von eingefangenen Analyten von Reagenzien und/oder zum Bestimmen der Konzentration von eingefangenen Analyten. Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Systeme können eine automatisierte Verarbeitung und Analyse einer Probe zur Detektion von einzelnen und/oder mehreren interessierenden Analyten, die in komplexen Matrizen, wie z.B. Blut vorhanden sein können, ermöglichen.
  • Eine Bewegung von Fluid(en) durch die hier beschriebenen Vorrichtungen kann durch Anwendung von Zentrifugalkräften auf die Vorrichtungen erreicht werden. Eine Anwendung der geeigneten Zentrifugalkräfte kann eine Bewegung von Fluid(en) aus einem Abschnitt zu einem anderen der Vorrichtung durch einen in die Vorrichtung integrierten Mikrofluidik-Kreislauf ermöglichen. Der Mikrofluidik-Kreislauf kann gestaltet sein, Ventile zwischen verschiedenen Abschnitten der Vorrichtungen einzuschließen, um eine Bewegung einer Probe durch die Vorrichtung zu beeinflussen. 1-4 zeigen beispielhafte Disks, umfassend Mikrofluidikkanäle und -kammern gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, und werden im Einzelnen weiter unten beschrieben. Obgleich 1-4 mehrere Beispiele für Kombinationen und Konfigurationen von Mikrofluidikkanälen und - kammern veranschaulichen, wird davon ausgegangen, dass andere Kombinationen und Konfigurationen von Kanälen und Kammern ebenfalls hier umfasst sind. Die vorliegende Offenbarung kann eines der Merkmale einer Mikrofluidikdisk einschließen, die in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ US2016/03059 , eingereicht am 5. Mai 2015, und/oder PCT/ US2016/038668 , eingereicht am 22. Juni 2016, offengelegt sind, von denen jede durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier einbezogen ist. Alle Merkmale, die in Verbindung mit einem bestimmten Beispiel hier besprochen sind, können in Kombination mit irgendwelchen anderen hier besprochenen Merkmalen verwendet werden, einschließlich der Merkmale von irgendeinem anderen Beispiel oder anderen Beispielen.
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung schließen Vorrichtungen zur Prüfung einer biologischen Probe von einem Subjekt auf einen oder mehrere Analyten (z.B. Biomarker) ein, die mit einem Gesundheitszustand, etwa einer Krankheit, assoziiert sind. Gemäß einigen Aspekten können beispielhafte Vorrichtungen es einem Anwender ermöglichen, Daten zum Vorhandensein oder Fehlen verschiedener Biomarker sowie zur Menge und zum Spiegel jedes in der Probe vorhandenen Biomarkers zu erfassen, um diagnostische Informationen für das Subjekt zu erfassen.
  • In einigen Aspekten können die hier beschriebenen Vorrichtungen eine Probe manipulieren und/oder verarbeiten, um diese Daten abzuleiten. Zum Beispiel kann die Vorrichtung ausgebildet sein, die Probe mit einem oder mehreren Reagenzien zu behandeln, die Probe zu lösen und/oder die Probe bezüglich gewisser Komponenten anzureichern. Die Anreicherung einer Probe kann zum Beispiel das Konzentrieren von einem oder mehreren Bestandteilen der Probe einschließen, um bei der Erkennung, Analyse und/oder Identifizierung dieser Bestandteile zu helfen. In mindestens einem Beispiel kann die Vorrichtung eine Probe bezüglich eines oder mehrerer Zielproteine und/oder -polynukleotide einer Probe vor dem Aussetzen der Probe gegenüber Reagenzien anreichern, um Moleküle zum Binden und Detektieren des Ziels/der Ziele einzufangen.
  • Hier beschriebene Mikrofluidikplattformen können eine attraktive Alternative zu traditionellen Labortests für einige Anwendungen sein und können relativ kleine Volumen biologischer Proben und Reagenzien erfordern, die für die Analyse notwendig sind. Mikrofluidikvorrichtungen können die Probenvolumenanforderungen von Millilitern auf Mikroliter reduzieren und können in sich geschlossene Plattformen sein, die für eine reduzierte Wahrscheinlichkeit einer Kreuzkontamination und ein reduziertes biologisches Risiko sorgen. Das kleine Proben- und Testreagenzienvolumen, das für die Analyse benötigt wird, kann die tatsächlichen Kosten der Durchführung des Tests selbst reduzieren. Zum Beispiel können beispielhafte Mikrofluidikvorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen, dass Reagenzien und Proben sich präzise innerhalb eines Mikrofluidikkreislaufes bewegen, ohne die Verwendung von externen Flüssigkeitshandhabungsvorrichtungen, wie weiter unten beschrieben. Das kann wiederum die Komplexität und/oder Kosten der für die Durchführung des Assays nötigen Instrumentierung reduzieren. Die kleinere Abmessung der Plattformen kann auch kleinere Grundflächen der Vorrichtung ermöglichen und kann die Möglichkeit für eine tragbare Vorrichtung eröffnen. Infolgedessen kann sich die Verfügbarkeit von Diagnostika für viele Anwendungen und für viele kleine Labors und Anbieterbüros verbessern.
  • Eine Miniaturisierung eines Prozesses, der Fluidmigration involviert, basiert allgemein auf grundlegenden Skalierungsprinzipien. Mikrofluidikkanäle, die nur Mikrolitermengen einer Flüssigkeit führen, können ein spezifisches hydrodynamisches Milieu erzeugen. Zum Beispiel kann der Flüssigkeitsfluss laminar werden, was wiederum einen diffusen Transport beschleunigen und zu einer effizienteren Vermischung und Reaktion im Mikrobereich beitragen kann. Es können auch Kapillarkräfte (Kräfte, die größer sind als die Schwerkraft), die auf Flüssigkeiten in Mikrokanälen einer Vorrichtung wirken, angewendet werden, um einen hydrophilen Kanal zu füllen oder um einen propagierenden Meniskus vor einem hydrophoben Segment, das als Ventil wirken könnte, zu stoppen. Die Integration multipler integrierter Funktionen, wie beispielsweise Trennung, Messung, Reaktion und Detektion, in einer Vorrichtung, kann die Option bieten, intensive manuelle Vorgänge zu automatisieren. Der reduzierte Benutzereingriff während einer Analyse (z.B. ist wenig bis gar keine Benutzereingabe zur Durchführung des Assays erforderlich) kann die Einfachheit der Anwendung erhöhen und/oder menschliche Fehler, die vielen experimentellen Vorgängen innewohnen, reduzieren.
  • Vorrichtungen und Systeme gemäß der vorliegenden Offenbarung können eine Compact Disc („CD“ oder „Disk“)-Technologie mit Mikrofluidiksystemen kombinieren, um kleinere Vorrichtungen zu erzielen, um eine teil- oder vollautomatische Probenaufbereitung und -prüfung zu erlauben. In einigen Aspekten kann die Vorrichtung Mikrofluidikkanäle zur Durchführung eines Multiplex-Assays einschließen. Auf einer Mikrofluidikplattform kann zum Beispiel ein relativ kleines Probenvolumen (z.B. in der Größenordnung von Mikrolitern (µl)) ausreichen, um die Spiegel für eine Vielzahl von Biomarkern zu messen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung eine Mikrofluidik-basierte Immunoassay-Detektionsvorrichtung sein, umfassend eine Mikrofluidikdisk, einen Motor zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Disk und einen Detektor, etwa ein optisches Lesegerät, z.B. zum Messen von Analyten. Zentrifugalkräfte, die durch Drehen einer Disk erzeugt werden, können Ventile, z.B. hydrophobe Ventile auf einem in die Disk integrierten Mikrofluidikkreislauf, die die präzise Bewegung von Reagenzien und Probe(n) steuern können, öffnen und schließen. Die Vorrichtungen können Dichtemedien verwenden, die gestaltet sind, eingefangene Analyten von Reagenzien zu trennen. Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können auch einen oder mehrere langwierige Waschschritte ausschließen, um einen rascheren Assay zu ermöglichen. Ferner können die Dichtemedien ermöglichen, dass Analyten in einem kleinen Detektionsbereich konzentriert sind, was die Empfindlichkeit des Assays erhöhen kann. Weil CDs serienmäßig produziert werden können und allgemein billig herstellbar sind, kann außerdem die Verknüpfung von CD-Technologie mit den Vorteilen von Mikrofluidik zu einer kostengünstigen Vorrichtung und/oder einem optimierten Vorrichtungsherstellungsverfahren führen. Diese Merkmale können für Vorrichtungen und Systeme sorgen, die kompakter, weniger teuer und/oder tragbarer sind als die gegenwärtigen Assaytechniken.
  • Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können die Probenaufbereitung (z.B. Plasmatrennung von Blut), Messen, Mischen, Inkubation, Sedimentation und/oder Detektion und Quantifizierung von einem oder mehreren in der Probe/in den Proben vorhandenen Analyten teilweise oder vollständig automatisieren. Die Verwendung von Disktechnologie kann die Möglichkeit des Multiplexens einer großen Probenzahl, oder umgekehrt, des Testens einer großen Analytenzahl (z.B. bis zu 60 Biomarker oder mehr) pro Patientenprobe, in einem einzelnen Testlauf, vorsehen, wodurch die Verarbeitungszeit, die Grundfläche der Vorrichtung, das benötigte Verbrauchsmaterial und/oder der Energieverbrauch reduziert werden.
  • Die Steuerung des Durchflusses von Probenfluid und Reagenzien durch die Mikrofluidik kann mit Ventilen erreicht werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf hydrophobe Ventile, Kapillarventile, Sprengdichtungsventile und/oder Coriolis-Ventile. In einigen Aspekten kann das System ein zentrifugales Mikrofluidiksystem umfassen, das eine niedrigvolumige Fluidprobe aufnehmen kann, die Analyten enthält, möglicherweise eine relativ niedrige Konzentration von Analyten, die durch physikalische und/oder chemische/biochemische Mittel verarbeitet werden können, um ein Signal zu erzeugen, das die Analytenmenge (z.B. proportional zur Analytenmenge) in der fluidischen Probe anzeigt. Beispiele für fluidische Proben, die in den zentrifugalen Mikrofluidikvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, schließen Körperflüssigkeiten (wie z.B. Blut und andere Körper-/biologische Flüssigkeiten) und Umweltflüssigkeiten (wie z.B. Wasser aus verschiedenen natürlich auftretenden Gewässern) ein, in denen verschiedene biologische Einheiten detektiert werden können. Die detektierten biologischen Einheiten können zum Beispiel Proteine, Viren, Zellen, Antikörper, genomisches Material (z.B. DNA, RNA und Fragmente davon, einschließlich MicroRNA (miRNA)), Metaboliten, Kleinmoleküle, Ionen, Schadstoffe und/oder biologische Organismen, einschließen.
  • Im Falle des Messens der Konzentration verschiedener Analyten in humanem Vollblut können Nicht-Plasma-Bestandteile zwischen humanen Blutproben verschiedenen Ursprungs variieren. Daher kann für einige Anwendungen das Plasmavolumen ein hilfreicheres diagnostisches Maß für die interessierenden Analyten sein. Zum Beispiel kann die Konzentration verschiedener Analyten in Blutplasma bestimmt werden, so dass ein Arzt oder anderer Gesundheitsdienstleister in der Lage sein kann, aussagekräftige Schlussfolgerungen aus den Daten zu ziehen. In einigen Aspekten können die Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung einen Bluttrennungsschritt einschließen, in dem das Plasma von den anderen Bestandteilen getrennt wird und stromabwärts für eine weitere Verarbeitung und letztendliche Detektion getrieben wird. Die Möglichkeit, auf frische Vollblutproben zuzugreifen und diese umgehend oder rasch zu Plasma zu verarbeiten und umgehend oder rasch die darin vorhandenen Analyten zu messen, kann eine effizientere und/oder genauere Messung einer breiten Gruppe von Analyten ermöglichen. Das kann für Analyten nützlich sein, die abgebaut werden können, wenn Blut oder Plasma über lange Zeit vor der Analyse gelagert wird.
  • Die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ schließen einen Pluralbezug ein, es sei denn der Zusammenhang gebietet etwas anderes.
  • Die Begriffe „ungefähr“ und „etwa“ bedeuten, dass etwas fast gleich ist wie eine Zahl oder ein Wert, auf die oder den verwiesen wird. Wie hier verwendet, sollten die Begriffe „ungefähr“ und „etwa“ allgemein so verstanden werden, dass sie ± 5% einer spezifizierten Menge oder eines spezifizierten Wertes umfassen.
  • Die Begriffe „Analyt“ und „Ziel“ werden hier austauschbar verwendet und können ein interessierendes Molekül, das detektiert und/oder analysiert werden soll, einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Nicht einschränkende Beispiele schließen Ionen, Kleinmoleküle, Proteine, Viren, Zellen, Antikörper, genomisches Material (z.B. DNA, RNA und Fragmente davon, einschließlich miRNA), Metaboliten, Nukleinsäuren, Schadstoffe und biologische Organismen, ein. In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein interessierender Analyt ein Biomarker sein.
  • Der Begriff „Biomarker“ bezieht sich allgemein auf einen chemischen oder biochemischen Indikator, der mit einem oder mehreren Gesundheitszuständen assoziiert ist. Ein Biomarker kann ein interessierendes Molekül oder einen Abschnitt eines interessierenden Moleküls, das detektiert und/oder analysiert werden soll, einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispielhafte Biomarker schließen z.B. Peptide, Proteine, DNA-Sequenzen und RNA-Sequenzen ein. Die Begriffe „Polypeptid“, „Oligopeptid,“ „Peptid“ und „Protein“ können hier austauschbar verwendet werden, um sich auf Polymere von Aminosäuren jeder Länge zu beziehen, die chemische Modifikationen einschließen können oder auch nicht. Ein solches Polymer kann linear oder verzweigt sein, kann modifizierte Aminosäuren umfassen und/oder durch Nicht-Aminosäuren unterbrochen sein. Die Aminosäurepolymere können natürlich oder durch einen Eingriff modifiziert sein. Zum Beispiel können Aminosäurepolymere gemäß der vorliegenden Offenbarung durch Bildung von Disulfidbindungen, Glykolysierung, Lipidierung, Acetylierung, Phosphorylierung oder eine andere Manipulation oder Modifikation, etwa Konjugation mit einer Markierungskomponente, modifiziert sein. Die Aminosäurepolymere können Polypeptide einschließen, die ein oder mehrere Analoga einer Aminosäure umfassen (einschließlich beispielsweise unnatürlicher Aminosäuren) sowie andere chemische/biochemische Modifikationen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können die Mikrofluidiksysteme und -vorrichtungen angewendet werden, um Biomarker zu detektieren und/oder zu analysieren, die Krebs (z.B. Brustkrebs, Prostatakrebs, Eierstockkrebs und/oder eine andere Art von Krebs), eine Herzkrankheit, eine neurologische Erkrankung, eine Atemwegserkrankung und/oder Infektionskrankheiten wie sexuell übertragbare Krankheiten (sexually transmitted disease, STD) anzeigen.
  • Biomarker, die gemäß der vorliegenden Offenbarung detektiert und/oder analysiert werden können, umfassen, aber sind nicht beschränkt auf humanen Estrogenrezeptor-2 (Her-2), Matrixmetallopeptidase-2 (MMP-2), Matrixmetalloproteinase 9 (MMP-9), Krebsantigen 15-3 (CA 15-3), Krebsantigen 125 (CA 125), Krebsantigen 27.29 (CA 27.29), karzinoembryonisches Antigen (CEA), vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF), epidermalen Wachstumsfaktor (EGF), Hepatozyten-Wachstumsfaktor (HGF), tumorspezifischen Wachstumsfaktor (TSGF), tumorspezifischen Wachstumsfaktor (TSGF), Osteopontin (OPN), Tumorprotein p53 (p53), Serum-Estrogenrezeptor (SER), Serum-Progesteronrezeptor (SPR), BRCA-1-Protein, BRCA-2-Protein, prostataspezifisches Antigen (PSA), Troponin T, Troponin I, C-reaktives Protein (CRP), Homocystein, Myoglobin, Kreatinkinase, adrenocorticotropes Hormon (ACTH), alpha-Fetoprotein (AFP), Anterior Gradient 3 (AGR3), Apolipoprotein A1 (Apo-A1), D-Dimer (DD), Dermcidin, hochmolekulares Kininogen (HMWK), Leptin, Myeloperoxidase (MPO), Makrophagen-migrationsinhibierenden Faktor (MIF), mucinähnliches Karzinomassoziiertes Antigen (MCA), Plasminogenaktivator-Inhibitor-1 (PAI-1), Prolaktin, löslichen CD40-Liganden (sCD40L), löslichen epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (sEGFR), lösliches vaskuläres Zelladhäsionsmolekül 1 (sVCAM-1), löslichen vaskulären endothelialen Wachstumsfaktorrezeptor 1 (sVEGFR1), löslichen vaskulären endothelialen Wachstumsfaktorrezeptor 2 (sVEGFR2), Gewebepolypeptidantigen (TPA), Thymidylatsynthase (TS), Urokinaseplasminogenaktivator (uPA), Vitamin D-Bindungsprotein (VDBP) und Vitronectin (VN).
  • Beispielhafte Biomarker für ein Prostatakarzinom-Panel (z.B. Biomarker, die nützlich sind, um diagnostische Informationen in Bezug auf Prostatakarzinom zu erhalten), können PSA einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispielhafte Biomarker für ein Ovarialkarzinom-Panel (z.B. Biomarker, die nützlich sind, um diagnostische Informationen in Bezug auf Ovarialkarzinom zu erhalten), können CA 125 einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispielhafte Biomarker für ein Herzkrankheit-Panel (z.B. Biomarker, die nützlich sind, um diagnostische Informationen in Bezug auf eine Herzkrankheit zu erhalten), können Troponin T, Troponin I, CRP, Homocystein, Myoglobin und/oder Kreatinkinase einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispielhafte Biomarker für ein Atemwegserkrankung-Panel (z.B. Biomarker, die nützlich sind, um diagnostische Informationen in Bezug auf Atemwegserkrankungen zur erhalten), können Influenza A, Influenza B und Respiratory-Syncytial-Virus (RSV) einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können die Biomarker eines Panels mit Krankheitserregern (z.B. Bakterien, Viren, Parasiten), die mit STD und/oder anderen Infektionskrankheiten verbunden sind, assoziiert sein oder diese Krankheitserreger anderweitig anzeigen. In einigen Beispielen können die Biomarker eines Panels mit einer Antibiotikaresistenz gegenüber einem oder mehreren Krankheitserregern assoziiert sein oder diese Resistenz anderweitig anzeigen.
  • In einigen Beispielen können die zu detektierenden Ziele oder Analyten mit Brustkrebs assoziierte Biomarker sein. Zum Beispiel können die Biomarker humanen Estrogenrezeptor 2 (Her-2), Matrixmetallopeptidase-2 (MMP-2), Krebsantigen 15-3 (CA 15-3), Osteopontin (OPN), Tumorprotein p53 (p53), vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF), Krebsantigen 125 (CA 125), Serum-Estrogenrezeptor (SER) oder eine Kombination davon einschließen. Beispiele für Sequenzidentifikatoren in der Online-Datenbank des HUGO Gene Nomenclature Committee für solche Marker umfassen, aber sind nicht beschränkt auf Her-2 (X03363), MMP-2 (NM_004530), OPN (NM_001040058), p53 (NM_000546), VEGF (MGC70609), CA 125 (Q8WX17), SER (NP 000116.2) und CA 15-3 (NM_002456).
  • Jeder vorhergehende Biomarker kann Fragmente, Spleißvarianten und/oder Volllängenpeptide oder alle anderen Variationen einschließen. Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die angeführten Biomarker beschränkt ist und dass zusätzliche Biomarker für die hier erwähnten Systeme, Vorrichtungen und Verfahren umfasst sind und für diese in Erwägung gezogen werden.
  • Der Begriff „Fängermolekül“ bezieht sich allgemein auf ein Molekül, das an einen Analyten oder ein Ziel (z.B. ein Zielmolekül wie ein Biomarker) binden kann. Zum Beispiel kann ein Fängermolekül eine Bindungsstelle oder eine Vielzahl von zwei oder mehr Bindungsstellen ergänzend zu einem Analyten oder Ziel haben. Fängermoleküle gemäß der vorliegenden Offenbarung können fähig sein zur Bindung an nur ein Ziel (z.B. das Fängermolekül ist spezifisch für ein bestimmtes Ziel), an eine ausgewählte Anzahl von Zielen (z.B. das Fängermolekül ist spezifisch für zwei oder mehr Ziele) oder an eine Vielzahl von Ziel- und Nicht-Ziel-Spezies. Beispielhafte Biomarker und Fängermoleküle sowie eine potenzielle Bindung zwischen den beiden werden in weiteren Einzelheiten in den internationalen Patentanmeldungen Nr. PCT/ US2016/03059 und Nr. PCT/ US2016/038668 beschrieben, wovon jede durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier einbezogen ist.
  • Das Fängermolekül kann oder die Fängermoleküle können zum Beispiel einen oder mehrere Antikörper, Peptide, Proteine oder eine Kombination davon einschließen. Beispielhafte Fängermoleküle, die für die vorliegende Offenbarung geeignet sind, umfassen, aber sind nicht beschränkt auf RNA, DNA, Peptide, Antikörper, Aptamere und proteinbasierte Aptamere. In mindestens einer Ausführungsform ist das Fängermolekül ein Antikörper. In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können die Fängermoleküle mittels Blockierungsmitteln, wie z.B. Serum, in mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) verdünntem Serum und anderen Blockierungsmitteln, die im Stand der Technik bekannt sind, blockiert werden. In einigen Beispielen kann das Fängermolekül oder können die Fängermoleküle ein Oligonukleotid, ein Aptamer, eine chimäre Struktur, umfassend eine oder mehr Oligonukleotidsequenzen, oder einen Antikörper umfassen.
  • In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann ein Ziel oder Analyt an ein Fängermolekül, z.B. ein Aptamer, binden. Von einem Molekül oder einer anderen chemischen/biochemischen Spezies kann gesagt werden, dass es/sie eine „Bindung“ zeigt, wenn es häufiger, rascher und länger und/oder mit größerer Affinität mit einem oder mehreren bestimmten Analyten reagiert oder sich mit einem oder mehreren bestimmten Analyten verbindet als mit alternativen Substanzen (z.B. anderen Analyten oder Nicht-Ziel-Analytspezies). Zum Beispiel kann ein Fängermolekül an ein Ziel „binden“, wenn es mit größerer Affinität, Avidität, Bereitschaft und/oder mit längerer Dauer an dem Analyten andockt, als es an andere Substanzen andockt. In mindestens einem Beispiel kann das Fängermolekül ein Oligonukleotid umfassen, das spezifisch oder zumindest bevorzugt mit größerer Affinität, Avidität, Bereitschaft und/oder mit längerer Dauer an einen Analyten (z.B. Biomarker) bindet, als das Oligonukleotid an andere Substanzen bindet.
  • In mindestens einem Beispiel umfasst das Fängermolekül ein Aptamer. Das Aptamer kann zum Beispiel ein Einzelstrang-Oligonukleotid (z.B. DNA oder RNA) umfassen, das fähig ist, an einen Analyten zu binden, indem es strukturell mit dem Analyten übereinstimmt. Das Aptamer kann hoch spezifisch sein und eine starke Bindung mit einem Analyten bilden.
  • Die Begriffe „Nukleinsäure“, „Oligonukleotid“ und „genomisches Material“ können hier austauschbar verwendet werden, um auf Oligomere von Nukleinsäuren jeder Länge zu verweisen. Solche Oligomere können linear oder verzweigt sein, können modifizierte Nukleinsäuren umfassen und/oder durch eine oder mehrere Nicht-Nukleinsäuren unterbrochen sein.
  • Der Begriff „detektieren“ kann sich auf das Identifizieren des Vorhandenseins, des Fehlens und/oder der Menge von zu detektierendem Analyten beziehen. Eine Detektion kann visuell und/oder unter Verwendung einer geeigneten Vorrichtung, wie z.B. einem Scanner und/oder Detektor, durchgeführt werden. Der Begriff „analysieren“ kann das Bestimmen eines Wertes oder einer Gruppe von Werten, die mit einer vorgegebenen Probe assoziiert sind, durch eine Messung einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Zum Beispiel kann ein Analysieren gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein Messen der Bestandteilexpressionsspiegel in einer Probe und Vergleichen der Spiegel mit den Bestandteilspiegeln in einer Probe oder einem Probensatz von demselben Subjekt oder einem anderen Subjekt/anderen Subjekten einschließen.
  • Wie hier verwendet, sollen die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder eine andere Variation davon einen nicht-exklusiven Einschluss bedeuten, so dass ein Prozess, Verfahren, Artikel oder Apparat, der oder das eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur die jeweiligen Elemente einschließt, sondern auch andere Elemente einschließen kann, die nicht ausdrücklich angegeben sind oder einem solchen Prozess, Verfahren, Artikel oder Apparat inhärent sind. Der Begriff „beispielhaft“ wird im Sinne von „Beispiel“ und nicht von „ideal“ verwendet.
  • Beispielhafte Vorrichtungen
  • Vorrichtungen, die für verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, können Point-of-Care-Testing ermöglichen, z.B. um diagnostische Informationen für einen Patienten zum Zeitpunkt und am Ort oder in zeitlicher und örtlicher Nähe der Patientenbetreuung zu erhalten. Zum Beispiel kann die Vorrichtung tragbar und/oder in sich geschlossen sein. Ferner können Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung zur Messung von mehreren Analyten oder Zielen (z.B. Biomarkern) gleichzeitig in einem Multiplex-Assay verwendet werden. Beispielhafte Assays, die auf den hier offenbarten Vorrichtungen durchgeführt werden können, und andere beispielhafte Vorrichtungen sind detaillierter in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ US2016/03059 , eingereicht am 5. Mai 2015, und in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ US2016/038668 , eingereicht am 22. Juni 2016, beschrieben, von denen jede durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier einbezogen ist.
  • Beispielhafte Mikrofluidikdisks können einen oder mehrere Mikrofluidikkanäle und/oder eine oder mehrere Kammern, durch die Fluid fließt, aufweisen. Der Kanal oder die Kanäle der Mikrofluidikdisk kann oder können jede geeignete Form haben, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Querschnittsform, die rund, gekrümmt, trapezförmig, dreieckig ist, oder andere geeignete geometrische Formen. Kanalgrößen und/oder -formen können gemäß einer vorgegebenen Anwendung ausgewählt werden. In einigen Aspekten können die Kanäle von etwa 0,1 Mikron bis mehrere Millimeter tief sein und von etwa 0,1 Mikron bis mehrere Millimeter oder Zentimeter breit sein. Die Kanäle können gerade, abgewinkelt, gekrümmt, zickzackförmig, U-förmig, eine Kombination davon oder andere Konfigurationen sein, z.B. abhängig von der Anwendung und der Funktion der Kanäle. Das Fassungsvermögen eines Kanals kann von Nanolitern bis 1 Milliliter oder mehr reichen, abhängig von der Anwendung.
  • Die Disk kann auch eine oder mehrere Kammern einschließen, in denen sich Reagenzien, Probe, Probenextrakte oder andere Materialien oder Fluide befinden. Reagenzien oder andere Materialien können in einem/einer oder mehreren Kanälen und/oder Kammern gelagert werden und können mit einer Probe zur Durchführung eines Multiplex-Assays gemischt werden. Einige Kammern können in Bezug zu den anderen Kammern und/oder Kanälen angeordnet sein, so dass Teile der Probe umgeleitet und/oder in Bestandteile aufgetrennt werden. Einige Kanäle und/oder Kammern können in Bezug zu einander angeordnet sein, um ein Mischen oder Schütteln der Probe zu fördern. Ein(e) oder mehrere Kanäle oder Kammern können in einem radialen oder azimutalen Zickzackmuster ausgerichtet sein, um ein Mischen der Probe mit dem Reagens oder den Reagenzien zu fördern. In einigen Beispielen können die Kanäle und/oder Kammerwände physikalische Strukturen einschließen, die einen Serpentinenpfad definieren. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Wände einen oder mehrere Winkel, Vorsprünge oder Aussparungen einschließen, um den Fluss von Fluid zu schütteln oder anderweitig zu beeinflussen, um das Mischen zu unterstützen.
  • In einigen Aspekten kann die Vorrichtung eine Disk sein, die einen Mikrofluidikkreislauf mit mehreren Kammern einschließt, und ein oder mehrere Kanäle können sich mit einer oder mehreren Kammern verbinden, um Fluid zu erlauben, zwischen dem Kanal/den Kanälen und der Kammer/den Kammern zu fließen. Die Mikrofluidikdisk kann den Kanal/die Kanäle, durch den/die Fluid fließt, und die Kammern, in denen Reagenzien gelagert werden und/oder mit einer Probe gemischt werden, die in einem diagnostischen Assay zur Disk hinzugefügt wird, bereitstellen. Mikrofluidikdisks der vorliegenden Offenbarung können von Zentrifugalkraft abhängen, um die Probe und/oder Reagenzien durch den einen oder die mehreren Kanäle und miteinander verbundenen Kammern zu bewegen und/oder zu vermischen.
  • Verschiedene auf einer Disk eingeschlossene Kammern können für verschiedene Funktionen gestaltet sein. Beispielhafte Funktionen der Kammern umfassen, aber sind nicht beschränkt auf Probenentnahme, Probenaufbereitung, Probensedimentation, Reagenzreservoir, Volumenmessung, Mischen, Inkubation, Reaktion, Proben- /Reagensfällung, Filtration, Detektion und/oder Abfallsammlung. Zudem können einige Kammern mehrfache Funktionen ausführen. Jede Kammer kann irgendeine geeignete Form haben, einschließlich z.B. eine Querschnittsform, die rund, oval, quadratisch, rechteckig, trapezförmig, dreieckig ist, oder andere geometrische Formen. In einigen Ausführungsformen können die Kammern von etwa 0,1 Mikron bis mehrere Millimeter tief sein und von etwa 0,1 Mikron bis mehrere Millimeter oder Zentimeter breit sein. Das Fassungsvermögen einer Kammer kann von Nanolitern bis Millilitern oder mehr reichen, abhängig von der Anwendung. Zwei oder mehrere Kammern können verbunden sein oder anderweitig in Fluidverbindung miteinander sein, z.B. um eine Bewegung von Fluiden von einer Kammer zu einer anderen zu ermöglichen, um einen Arbeitsablauf von Vorgängen zur Detektion, Analyse und/oder Quantifizierung von interessierenden Analyten, die in der Probe oder den Proben vorhanden sind, zu erhalten.
  • Ein beispielhaftes Mikrofluidiksystem gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein relativ kleines Probenvolumen erfordern (z.B. in der Größenordnung von Mikrolitern (µl)), um Spiegel für einen oder mehrere Analyten zu messen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung eine Mikrofluidik-basierte Immunoassay-Detektionsvorrichtung sein, umfassend eine Mikrofluidikdisk, einen Motor zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Disk und einen Detektor, etwa ein optisches Lesegerät, z.B. zum Messen von Analyten.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Mikrofluidikdisk Reagenzien, die in der Disk eingelagert sind, um interessierende Analyten einer Probe einzufangen und/oder eine geeignete Gruppe von anderen Reagenzien für Bindungs-, Detektions- und Auftrennungsprozesse enthalten. Zum Beispiel kann die Mikrofluidikdisk Fängermoleküle umfassen, die an einem Substrat, wie einer Vielzahl von Mikrobeads, befestigt sind, oder an einer Innenfläche der Disk befestigt sind, um ein Mikroarray zu bilden. Alle Merkmale von Mikrobeads und Mikroarray-Substraten, die in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ US2016/03059 und/oder der international Patentanmeldung Nr. PCT/ US2016/038668 behandelt werden, von denen jede durch Bezugnahme hier einbezogen ist, können für die vorliegende Offenbarung verwendet werden. Mikrofluidikvorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung können auch beliebige der Merkmale einschließen, die in der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/157.878 , eingereicht am 6. Mai 2015, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/183.294 , eingereicht am 23. Juni 2015, offenbart sind, von denen jede durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier einbezogen ist.
  • In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können ein oder mehrere Fängermoleküle an einer Oberfläche befestigt, z.B. immobilisiert, sein. Wie hier verwendet, schließt der Begriff „immobilisiert“ ein, auf einer oder mit einer Oberfläche, wie z.B. einem Mikrobead, einer Wand der Vorrichtung (z.B. der Wand einer Kammer oder eines Mikrofluidikkanals) oder einem an eine Wand der Vorrichtung gekoppelten Substrat, immobilisiert, gebunden und/oder verbunden zu sein.
  • In mindestens einigen Beispielen können die Fängermoleküle auf Mikrobead-Oberflächen befestigt oder immobilisiert sein. Ein Mikrobead kann ein Partikel sein, das allgemein eine gekrümmte Form aufweist. In mindestens einem Beispiel können die Mikrobeads kugelförmig mit einem einheitlichen Durchmesser sein. Mikrobeads gemäß der vorliegenden Offenbarung können starr sein und eine Oberfläche aufweisen, die glatt oder porös ist, oder die sowohl glatte als auch poröse Abschnitte einschließt. Ein Mikrobead kann ein Material oder eine Kombination von Materialien umfassen. Die Mikrobeads können magnetische Eigenschaften in einigen Ausführungsformen aufweisen, z.B. können die Mikrobeads ein magnetisches Material oder eine Kombination von Materialien umfassen. Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können die Mikrobeads einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen etwa 10 nm und etwa 100 µm, wie beispielsweise von etwa 50 nm bis etwa 50 µm, von etwa 100 nm bis etwa 10 µm, von etwa 100 nm bis etwa 5 µm, von etwa 500 nm bis etwa 5 µm, von etwa 100 nm bis etwa 1 µm, von etwa 1 µm bis etwa 50 µm, von etwa 5 µm bis etwa 10 µm oder von etwa 10 µm bis etwa 50 µm aufweisen. Zum Beispiel können die Mikrobeads einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 nm, etwa 100 nm, etwa 500 nm, etwa 1 µm, etwa 5 µm, etwa 10 µm, etwa 50 µm oder etwa 100 µm aufweisen.
  • In einigen Beispielen können die Fängermoleküle auf einer Fläche befestigt oder immobilisiert sein, um ein Mikroarray zu bilden. Ein Vielzahl von Fängermolekülen, die für dasselbe Ziel spezifisch sind, können in nächster Nähe zueinander gruppiert werden, wobei sie ein „Merkmal“ des Mikroarrays bilden. Somit kann das Mikroarray ein oder mehrere Merkmale zur Detektion desselben Analyten einschließen. In einigen Aspekten kann das Mikroarray mehrere Merkmale zur Detektion verschiedener Arten von Analyten einschließen, wobei z.B. jedes Merkmal eine Vielzahl von für einen Analyten spezifischen Fängermolekülen umfasst. Jedes Merkmal kann eine Querschnittsgröße im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 500 µm, beispielsweise von etwa 50 µm bis etwa 100 µm, von etwa 75 µm bis etwa 250 µm oder von etwa 100 µm bis etwa 200 µm, z.B. eine Querschnittsgröße von etwa 10 µm, etwa 50 µm, etwa 75 µm, etwa 100 µm, etwa 150 µm, etwa 200 µm oder etwa 250 µm haben. In einigen Beispielen kann das Mikroarray 1 Merkmal bis 1 Million Merkmale oder mehr, wie beispielsweise von etwa 5 bis 10.000 Merkmale, von 10 bis 1.000 Merkmale oder von 100 bis 500 Merkmale einschließen. Ferner kann das Mikroarray zum Beispiel von 2 bis 48 Merkmale, von 5 bis 30 Merkmale oder von 8 bis 25 Merkmale einschließen. Die Konfiguration des Mikroarrays kann ausgewählt sein basierend auf der Anzahl von erwünschten Merkmalen, der Anzahl und/oder den Arten von zu detektierenden Analyten und/oder der verfügbaren Fläche auf der Oberfläche des Substrats (z.B. der verfügbaren Fläche in der Kammer oder den Kammern der Disk, um den Mikroarray zu enthalten). In einigen Beispielen können die Merkmale in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein, etwa einem rechteckigen, quadratischen, kreisförmigen, dreieckigen oder sechseckigen Muster oder einer Kombination davon. Zum Beispiel kann das Mikroarray eine rasterartige Konfiguration von 9 Merkmalen (z.B. 3x3 Quadrat oder konzentrische Kreise von 5 und 4) 12 Merkmale (z.B. 3x4 Rechteck), 16 Merkmale (z.B. 4x4 Quadrat), 20 Merkmale (z.B. 4x5 Rechteck) oder 25 Merkmale (z.B. 5x5 Quadrat) aufweisen. Jeder Kanal kann ein Mikroarray oder eine Vielzahl von Mikroarrays einschließen.
  • Die Verknüpfung eines Fängermoleküls mit einer Oberfläche kann kovalent oder nicht kovalent sein, und kann mithilfe irgendeines geeigneten Verfahrens oder irgendwelcher geeigneten Verfahren erzielt werden. Zum Beispiel können die Oberflächen der Mikrobeads oder eine andere Oberfläche zur Bildung eines Mikroarrays mit einer oder mehreren chemischen Funktionsgruppen funktionalisiert sein, z.B. um an Fängermoleküle konjugiert zu sein. Beispielhafte Funktionsgruppen umfassen, aber sind nicht beschränkt auf Amin-, Thiol-, Phosphat-, Alkyl-, Alken-, Alkyn-, Aren-, Alkohol-, Keton-, Aldehyd-, Carboxyl- und Alkoxygruppen. In mindestens einem Beispiel kann die Oberfläche, die als Substrat dient, an Antikörper oder eine andere Fängereinheit, wie hier beschrieben, konjugiert sein.
  • Verschiedene Arten von Fängermolekülen können auf derselben Substratoberfläche befestigt sein (z.B. zum Einfangen und zur Detektion verschiedener Ziele), oder das Substrat kann nur eine Art von Fängermolekül einschließen. Zum Beispiel, wenn Mikrobeads (hier auch als „Beads“ bezeichnet) als Substrate verwendet werden, kann eine Vielzahl von Mikrobeads dieselbe Art von Fängermolekül einschließen, so dass die Mikrobeads für ein Ziel spezifisch sind. Jedes Mikrobead der Vielzahl von Mikrobeads kann die gleiche Größe, Form und chemische Zusammensetzung haben wie die anderen Mikrobeads, oder die Vielzahl von Mikrobeads kann mindestens ein Mikrobead einschließen, das eine unterschiedliche Größe, Form und/oder chemische Zusammensetzung hat als mindestens ein anderes Mikrobeads von der Vielzahl von Mikrobeads. Gleichermaßen kann eine Oberfläche einer Kammer oder eines Kanals einer Mikrofluidikvorrichtung eine Vielzahl von Fängermolekülen derselben Art einschließen, oder die Oberfläche kann in zwei oder mehr Bereiche eingeteilt werden (die z.B. mehrere eigenständige Merkmale auf der Oberfläche definieren, um ein Mikroarray zu bilden), wobei jeder eine unterschiedliche Art von Fängermolekül umfasst.
  • Ferner können einige Mikrofluidikdisks gemäß der vorliegenden Offenbarung keine Mikrobeads oder kein Mikroarray zur Detektion von Analyten verwenden. Zum Beispiel kann die Disk eine Amplifikations- und Detektionskammer einschließen, wie in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ US2016/038668 , eingereicht am 22. Juni 2016, offenbart, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen ist. Die Reaktionskammer 104 und/oder die Amplifikations- und Detektionskammer können Reagenzien für die Amplifikation von einem oder mehreren Zieloligonukleotid(en) in der Probe enthalten. Die amplifizierten Ziele können dann detektiert werden, z.B. ohne Verwendung eines Substrats. In einigen Beispielen kann die Amplifikationsreaktion ein Nebenprodukt (z.B. Phosphat) erzeugen, das im Probenfluid unlöslich sein kann. In solchen Fällen kann das Fortschreiten der Reaktion überwacht werden, z.B. durch Messen des Trübheitsgrades in der Amplifikations- und Detektionskammer im Zeitverlauf. In anderen Beispielen kann die Amplifikations- und Detektionskammer Fängermoleküle mit spezifischen, relativ kurzen Sequenzen enthalten, die einen Quencher und eine detektierbare Markierung (z.B. eine Fluoreszenzmarkierung) in der Nähe von einander aufweisen. Wenn die Fängermoleküle in der Gegenwart einer komplementären Zielsequenz sind, können sie an das Ziel hybridisieren, und dadurch können der Quencher und die detektierbare Markierung auseinander geschoben werden. Sobald die detektierbare Markierung vom Quencher getrennt ist, kann es der Markierung möglich sein, ein Signal zu erzeugen. Zum Beispiel kann es einer fluoreszierenden Markierung möglich sein, Licht auszusenden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Bewegung von Fluiden von Kammer zu Kammer erreicht werden, indem ein Ventilsystem geschaffen wird. Das Ventilsystem kann relativ enge Kanäle einschließen, z.B. um den Fluidfluss zu regeln oder die Kapillarwirkung zu unterstützen. In einigen Aspekten kann das Ventilsystem durch Zentrifugalkraft betätigt werden. Zum Beispiel können sich ein oder mehrere Ventile zwischen einer Kammer und einem Kanal, innerhalb eines Kanals oder zwischen Abschnitten einer Kammer befinden. Eine Mikrofluidikdisk kann ein Ventil einschließen, das sich zwischen einer Probenaufbereitungskammer und einer Mess- und Reaktionskammer und/oder zwischen einer Mess- und Reaktionskammer und einer Separationskammer befindet. Ventile können einen Widerstand gegenüber einem Fluidfluss durch die Kanäle bereitstellen, bis genügend Kraft bereitgestellt ist, um einen solchen Widerstand zu überwinden. Ein Drehen der Disk bei einer festgelegten Geschwindigkeit kann genügend Kraft bereitstellen, um einen solchen Widerstand zu überwinden. Zum Beispiel kann ein Ventilsystem so gestaltet sein, dass eine Rotation der Disk unter oder über einer Schwellengeschwindigkeit genügend Kraft bereitstellen kann, um den Widerstand zu überwinden, was es Fluid erlaubt, durch das Ventil zu fließen. Auf diese Weise kann eine Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden, um den Fluidfluss auf der Disk zu steuern. Jedes Ventil kann gestaltet oder eingestellt sein, um mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit oder bestimmten Drehgeschwindigkeiten übereinzustimmen, so dass beispielsweise verschiedene Kammern selektiv zugänglich sein können, um das Fluid zu einem gewünschten Zeitpunkt gemäß den Arbeitsgängen der Vorrichtung zu bewegen.
  • In anderen Aspekten können anstelle von oder zusätzlich zu Ventilen eine oder mehrere aufbrechbare Dichtungen auf beispielhaften Disks eingeschlossen sein, die hier offenbart sind, um den Durchfluss von Fluid zu steuern. Andere geeignete Fluidsteuermechanismen können z.B. aufbrechbare Dichtungen einschließen, die entzweigebrochen, durchstochen oder auf andere Art durch die Anwendung von Kraft aufgebrochen werden können. Zum Beispiel kann die Dichtung durch eine Nadel oder einen Vorsprung, der in der Disk eingeschlossen ist, aufgebrochen werden. Alternativ dazu können solche Dichtungen durch Rotieren der Disk über einer gewissen Geschwindigkeit aufgebrochen werden, um eine geeignete Zentrifugalkraft zu erzeugen, die in der Lage ist, die Dichtung aufzubrechen. In einigen Aspekten kann ein verformbarer Pfropfen, z.B. umfassend ein schmelzbares Material wie einen Wachspfropfen, verwendet werden, und Hitze kann angewendet werden, um den Pfropfen zu schmelzen und Fluid zu erlauben durchzufließen. Der Pfropfen kann unter einer gewissen Betriebstemperatur fest sein, und nach Erhitzen der Disk oder eines Abschnitts der Disk kann der Stopfen schmelzen, um es Fluid zu ermöglichen, durch den Kanal und/oder die Kammer zu fließen und entlang der Kanalbahn weiter zu fließen.
  • Beispielhafte Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können ausgebildet sein, entsprechend einer Diskrotation in einer vorher festgelegten Weise zu arbeiten, z.B. um die Probe mit Reagenzien zu mischen. Wenn zum Beispiel eine Probe in eine Kammer eingebracht wird, etwa eine Misch- und/oder Inkubationskammer, kann die Disk bei verschiedenen Geschwindigkeiten oder in verschiedene Richtungen rotiert werden, um ein Vermischen zu unterstützen. Zum Beispiel rotieren in einigen Aspekten die hier beschriebenen Disks während des Assays in alternierende Richtungen, z.B. zwischen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn. In einigen Aspekten können die Disks zwischen einer höheren Rotationsgeschwindigkeit und einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit rotiert werden. Im Allgemeinen kann die Rotationsgeschwindigkeit einer Mikrofluidikdisk im Bereich von 50 U/min bis 20.000 Umdrehungen pro Minute (U/min), wie beispielsweise von 100 U/min bis 16.000 U/min, von 200 U/min bis 5.000 U/min oder von 500 U/min bis 10.000 U/min liegen. In einigen Aspekten kann die geringere Geschwindigkeit 0 U/min sein, d.h. die Disk kann angehalten oder stationär sein. Die Rotationsgeschwindigkeit, die für jeden vorgegebenen Assay oder Schritt eines Assays verwendet wird, kann von den Eigenschaften der verwendeten Disk (z.B. Formen, Größen und/oder Anordnung von Kanälen, Kammern und/oder anderen Komponenten der Disk), der Art des durchzuführenden Assays, dem Maß des erwünschten Vermischens zwischen Probe und einem Reagens/Reagenzien, den Materialien, aus denen die Disk hergestellt ist, oder zusätzlichen Merkmalen oder Kombinationen davon, abhängen.
  • In einigen Aspekten kann ein Mischen erreicht werden, indem eine Kammer in Fluidikverbindung mit einer oder mehreren Mischkammern ist, z.B. einer zweiten Mischkammer, die radial außerhalb einer ersten Mischkammer platziert ist, in die Fluid fließen wird, z.B. durch Zentrifugalkraft angetrieben wird, wenn die Disk über einer vorgegebenen Geschwindigkeit rotiert wird, wie hier beschrieben ist. In einigen Aspekten kann in der Disk vorhandenes Fluid Luft oder ein anderes Gas/andere Gase, das/die in der zweiten Mischkammer vorhanden ist/sind, komprimieren, das/die sich dann ausdehnen und das Fluid zurückdrängen kann/können, wenn die Rotationsgeschwindigkeit reduziert wird. Eine Rotation kann kontrolliert werden, um den Durchfluss von Fluid in solchen Disks zu kontrollieren.
  • Die hier erwähnten Mikrofluidikdisks können aus jedem Material oder jeder Kombination von Materialien, die für einen gewünschten Assay geeignet sind, hergestellt sein. Zum Beispiel kann die Mikrofluidikdisk ein oder mehrere Polymere oder Copolymere umfassen. Beispielhafte Materialien, die für die hier erwähnten Mikrofluidikdisks geeignet sind, umfassen, aber sind nicht beschränkt auf Polypropylen, Polystyrol, Polyethylen, Acrylate wie Poly(methylmethacrylat) (PMMA), zyklische Olefinpolymere (COP), zyklische Olefincopolymere (COP), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyacrylamide und Kombinationen davon. Andere Materialien werden hier ebenfalls in Erwägung gezogen, etwa Metalle, Metalllegierungen und Keramik.
  • In einigen Ausführungsformen kann/können das Material/die Materialien der Mikrofluidikdisk undurchsichtig gemacht werden, z.B. durch Auftragen einer Beschichtung, die den Bereich für eine optische Detektion auf eine oder mehrere spezifische Bereiche der Disk beschränken kann. Alternativ dazu kann/können das Material/die Materialien bereits undurchsichtig sein, und Abschnitte können durchsichtig gemacht werden, z.B. durch Polieren der Oberfläche oder durch andere geeignete Verfahren. In einigen Ausführungsformen kann der Diskkreislauf oder ein Abschnitt davon beschichtet sein, um hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften des verwendeten Materials/der verwendeten Materialien zu ergänzen oder zu verbessern. Zum Beispiel können Oberflächen der Kanäle und/oder Kammern vollständig oder teilweise beschichtet sein. Die Beschichtung kann eine Bewegung des Fluids erleichtern und/oder kann den Ventileffekt bei der Kontrolle der Bewegung der Fluide verfeinern.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Diskkreislauf oder ein Abschnitt davon mit einem Material oder einer Kombination von Materialien beschichtet sein, um eine oder mehrere von Reaktions-, Misch- oder Detektionsschritten und/oder anderen Funktionen gemäß dem Vorgang des entsprechenden Arbeitsablaufes zur Detektion, Analyse und/oder Quantifizierung der interessierenden Analyten in einer Probe zu verbessern. Das Beschichtungsmaterial kann oder die Beschichtungsmaterialien können in Lösungsform zum Auftragen auf die Disk sein. Eine beispielhafte Lösung kann oder beispielhafte Lösungen können zum Beispiel Tenside, Salze, Kleinmoleküle, Oligonukleotide, Proteine oder eine Kombination davon umfassen.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Mikrofluidikdisk 100, umfassend mehrere Mikrofluidikkanalbahnen, von denen jede eine Reihe von miteinander verbundenen Kammern einschließt, durch die während eines Assays Fluid fließen kann. Die Anzahl, die Reihenfolge und das Design der Kammern können auf die bestimmten Analyten oder Ziele, die detektiert werden, und die verwendeten Reagenzien zugeschnitten sein. Wie gezeigt, kann zum Beispiel jede Kanalbahn einen Probeneinlass 102, eine Messkammer 106, eine Reaktionskammer 104, eine obere Separationskammer 107, eine Separationskammer 108 und eine Detektionskammer 110 einschließen. Die obere Separationskammer 107 und/oder die Reaktionskammer 104 können eine Entlüftung (ähnlich wie Entlüftung 115, der weiter unten besprochen wird) einschließen. Die Entlüftung(en) kann/können Luft austreten lassen, um Druck auszugleichen, wenn Luft in die Kammern eintritt, und/oder kann/können gasförmige Nebenprodukte, die während Reaktionen produziert werden, aus der Disk 100 freisetzen lassen. Die Disk 100 kann auch eine zentrale Öffnung 105 einschließen, z.B. zum Koppeln der Disk 100 an eine motorisch angetriebene Komponente, um eine Rotation der Disk 100 während eines Assays anzutreiben, um eine Zentrifugalkraft zum Bewegen der Probe durch die Kanäle und Kammern zu erzeugen. Messkammer 106 von Disk 100 ist anschließend an den Probeneinlass 102 positioniert und durch einen Überlaufkanal 112 mit einer Abfallkammer 120 verbunden. Disk 100 kann auch einen oder mehrere Marker, z.B. einen Referenzmarker 150, einschließen, um einem Detektor und/oder einem Anwender anzuzeigen, welche Kanalbahn die erste Kanalbahn auf der Disk ist, um beim Unterscheiden jeder Kanalbahn von den anderen zu helfen.
  • In einem beispielhaften Testverfahren wird eine Probe, z.B. eine Blutprobe, von der angenommen wird, dass sie einen oder mehrere interessierende Biomarker umfasst, zu dem Probeneinlass 102 der Mikrofluidikdisk 100 hinzugefügt. Eine Probe kann Blut und/oder andere Flüssigkeitsproben biologischen Ursprungs, solide Gewebeproben wie etwa eine Biopsieprobe, Gewebekultur oder daraus gewonnenen Zellen und die Nachkommenzellen davon umfassen. Eine Probe kann eine einzelne Zelle oder mehr als eine einzelne Zelle, z.B. eine Vielzahl von Zellen umfassen. Proben können klinische Proben, Zellen in Kultur, Zellüberstände und/oder Zelllysate einschließen. Die Probe kann mit einem oder mehreren Verfahren oder Behandlungsschritten nach ihrer Beschaffung von einem Subjekt manipuliert oder verarbeitet werden. Zum Beispiel kann eine Probe mit einem oder mehreren Reagenzien behandelt, gelöst und/oder bezüglich gewisser Komponenten angereichert werden. Die Anreicherung einer Probe kann zum Beispiel das Konzentrieren von einem oder mehreren Bestandteilen der Probe einschließen, um bei der Erkennung, Analyse und/oder Identifizierung dieser Bestandteile zu helfen.
  • Im Allgemeinen kann ein aliquoter Teil einer unverarbeiteten Probe (z.B. Vollblut oder eine andere biologische Flüssigkeit) im Bereich von etwa 1 µl bis etwa 300 µl oder mehr (~ ein bis mehrere Tropfen) zum Einlass hinzugefügt werden, beispielsweise von etwa 1 µl bis etwa 280 µl, von etwa 1 µl bis etwa 250 µl, von etwa 1 µl bis etwa 220 µl, von etwa 1 µl bis etwa 200 µl, von etwa 1 µl bis etwa 180 µl, von etwa 1 µl bis etwa 150 µl, von etwa 1 µl bis etwa 120 µl, von etwa 1 µl bis etwa 100 µl, von etwa 1 µl bis etwa 80 µl, 1 µl bis etwa 80 µl, von etwa 1 µl bis etwa 40 µl, von etwa 1 µl bis etwa 20 µl, von etwa 1 µl bis etwa 6 µl, von etwa 20 µl bis etwa 250 µl, von etwa 20 µl bis etwa 200 µl, von etwa 50 µl bis etwa 100 µl, von etwa 50 µl bis etwa 250 µl, von etwa 100 µl bis etwa 200 µl, von etwa 5 µl bis etwa 80 µl oder von etwa 2 µl bis etwa 5 µl. Zum Beispiel kann ein aliquoter Teil einer Probe von etwa 1 µl, etwa 2 µl, etwa 3 µl, etwa 4 µl, etwa 5 µl, etwa 6 µl, etwa 20 µl, etwa 40 µl, etwa 60 µl, etwa 80 µl, etwa 100 µl, etwa 120 µl, etwa 150 µl, etwa 180 µl, etwa 200 µl, etwa 220 µl, etwa 240 µl, etwa 250 µl, etwa 280 µl oder etwa 300 µl verwendet werden. Wenn die Disk rotiert, kann die Probe durch die Kanalbahn radial nach außen fließen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Probeneinlass 102 oder können die Probeneinlässe oder andere Teile des Kreislaufes von Disk 100 mit einer oder mehreren gerinnungshemmenden Substanzen, wie zum Beispiel K2EDTA, Na2EDTA oder Heparin, oder anderen geeigneten gerinnungshemmenden Substanzen beschichtet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Probe von dem Probeneinlass 102 in Messkammer 106 übergehen, wenn die Disk rotiert. Sobald Messkammer 106 mit einer Probe befüllt ist, kann überschüssige Probe in Überlaufkanal 112 umgeleitet werden und kann in Abfallkammer 120 gesammelt werden. Zum Beispiel, sobald Messkammer 106 voll ist, kann zusätzliche Probe, die in den Probeneinlass 102 eingebracht wird, dem Weg des geringsten Widerstandes in Überlaufkanal 112 folgen. Zentrifugalkraft und/oder Kapillarwirkung können eine Bewegung von überschüssiger Probe radial nach außen, Überlaufkanal 112 hinunter in Abfallkammer 120 vorantreiben. Ein Einschluss von Messkammer 106 kann die Notwendigkeit, eine genaue Probenmenge in den Probeneinlass 102 einzugeben, reduzieren, da überschüssige Probe in Abfallkammer 120 umgeleitet und am Eintritt in den Assay-Abschnitt von Disk 100 gehindert werden kann. Abfallkammer 120 oder irgendein Abschnitt von Disk 100 kann eine oder mehrere Entlüftungen 115 einschließen, um Druck auszugleichen, wenn sich die Kammern und/oder Kanäle mit Probe füllen.
  • In einigen Ausführungsformen können die hier erwähnten Mikrofluidikdisks ein Ventilsystem und/oder relativ enge Kanäle einschließen, z.B. um den Fluidfluss zu regeln. Zum Beispiel kann die Mikrofluidikdisk 100 aus 1 mindestens ein Ventil 111 oder 111' einschließen, z.B. zwischen der Reaktionskammer 104 und der oberen Separationskammer 107 und/oder zwischen der oberen Separationskammer 107 und der Separationskammer 108 und/oder zwischen der Messkammer 106 und der Reaktionskammer 104. Wie gezeigt, kann zum Beispiel die Disk 100 ein Ventil 111' zwischen der Messkammer 106 und der Reaktionskammer 104 und ein Ventil 111 zwischen der Reaktionskammer 104 und der oberen Separationskammer 107 einschließen. Die Ventile 111, 111' können dieselbe Art Ventil sein oder verschieden sein. Ventile können einen Widerstand gegenüber einem Fluidfluss durch die Kanäle bereitstellen, bis genügend Kraft bereitgestellt ist, um einen solchen Widerstand zu überwinden. Ein Beispiel für eine Kraft zur Überwindung eines solchen Widerstands kann Zentrifugalkraft, die durch Drehen der Disk bei Schwellengeschwindigkeit angewendet wird, einschließen. Jedes Ventil kann gestaltet oder eingestellt sein, um mit einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit oder bestimmten Rotationsgeschwindigkeiten übereinzustimmen, z.B. so dass verschiedene Kammern selektiv zugänglich sind, um das Fluid zu einem gewünschten Zeitpunkt gemäß den Arbeitsgängen der Vorrichtung zu bewegen.
  • In einem beispielhaften Aspekt können Ventile 111', 111 von Disk 100 Berstventile einschließen. Die Rotation von Disk 100 unter einer Schwellenrotationsgeschwindigkeit kann verhindern, dass Probe von Messkammer 106 zu Reaktionskammer 104 fließt, während eine Rotation über dem Schwellenwert ausreichend Zentrifugalkraft bereitstellen kann, um das erste Ventil 111' zu öffnen, was es der Probe ermöglicht, zwischen den Kammern zu fließen. Gleichermaßen kann die Rotation von Disk 100 unter einer Schwellenrotationsgeschwindigkeit verhindern, dass Probe von Reaktionskammer 104 zu einer oberen Separationskammer 107 fließt, während eine Rotation über dem Schwellenwert ausreichend Zentrifugalkraft bereitstellen kann, um das zweite Ventil 111 zu öffnen, was es der Probe ermöglicht, zwischen den Kammern zu fließen. In einigen Aspekten kann der Kraftaufwand, der notwendig ist, um das Ventil 111' zwischen Messkammer 106 und Reaktionskammer 104 zu öffnen, geringer sein als der Kraftaufwand, der notwendig ist, um Ventil 111 zwischen Reaktionskammer 104 und einer oberen Separationskammer 107 zu öffnen. Anders ausgedrückt, kann es eine niedrigere Schwellenrotationsgeschwindigkeit brauchen, um Ventil 111' zu öffnen als um Ventil 111 zu öffnen.
  • Zum Beispiel kann sich Berstventil 111' als Reaktion auf eine Rotation über einem Schwellenwert von ungefähr 1.000 U/min öffnen, während sich Berstventil 111 als Reaktion auf eine Rotation über einem Schwellenwert von ungefähr 2.000 U/min öffnen kann. Obwohl der Schwellenwert zum Öffnen von Ventilen 111' und 111 sich gemäß dem Disktyp ändern kann, können beispielhafte Geschwindigkeiten, die zum Öffnen des ersten Ventils 111' erforderlich sind, im Bereich von ungefähr 1.000 U/min bis ungefähr 2.000 U/min liegen, während das zweite Ventil 111 sich als Reaktion auf eine Rotation über einer Schwellengeschwindigkeit von ungefähr 1.500 U/min bis ungefähr 3.000 U/min öffnen kann. Im Allgemeinen kann jedoch die Rotationsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um das erste Ventil 111' zu öffnen, geringer sein als die Rotationsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um das zweite Ventil 111 zu öffnen. Das kann verhindern, dass Fluid von Messkammer 106 direkt durch Reaktionskammer 104 und in eine obere Separationskammer 107 fließt. Indem die Probe eine höhere Geschwindigkeit benötigt, um die Reaktionskammer 104 zu verlassen als in Reaktionskammer 104 einzutreten, kann die Probe bis zu dem Zeitpunkt, an dem die höhere Geschwindigkeit erreicht ist, innerhalb Reaktionskammer 104 gehalten werden, was eine erhöhte Kontrolle des Fluiddurchflusses bereitstellt.
  • Die Messkammer 106 kann für ein Vorverarbeiten der Probe vor einem Mischen der Probe mit in der Disk 100 gelagerten Reagenzien sorgen. Zum Beispiel können verschiedene Komponenten der Probe aufgetrennt werden, z.B. über einen Filter, so dass nur ein Teil der Originalprobe zur Analyse durch den Kanal fließen kann. Zum Beispiel kann Probeneinlass 102 ausgebildet sein, Vollblut in Plasma, Serum und Zellkomponenten aufzutrennen. In einigen Beispielen kann die Menge einer Probenkomponente (z.B. Blutplasma), die mit Reagenzien zur Analyse gemischt wird, allgemein im Bereich von etwa 1 µl bis etwa 6 µl liegen. Zum Beispiel kann die Menge einer Probe oder Probenkomponente, die für einen Multiplex-Assay gemäß der vorliegenden Offenbarung ausreichend ist, im Bereich von etwa 2 µl bis etwa 5 µl liegen, z.B. ein aliquoter Teil einer Probe von etwa 1 µl, etwa 2 µl, etwa 3 µl, etwa 4 µl, etwa 5 µl oder etwa 6 µl. Überschüssige Probe und/oder alle Komponenten einer unverarbeiteten Probe, die nicht für eine Analyse verwendet werden, können in die Abfallkammer 120 abgetrennt werden.
  • Reaktionskammer 104 kann Reagenzien enthalten, die mit der Probe gemischt werden können, wenn die Probe in die Reaktionskammer eintritt. Der Begriff „Reaktionskammer“ soll eine Kammer umfassen, in der verschiedene Arten von Reaktionen und/oder anderen Wechselwirkungen zwischen Analyten und Reagenzien, mit denen die Disk vorbeladen ist, stattfinden können, und sollte nicht als auf eine bestimmte Art von chemischer Reaktion oder Wechselwirkung beschränkt ausgelegt werden. Zum Beispiel kann die Reaktionskammer 104 Reagenzien, die für die Bindung und Hybridisierung an ein Ziel gedacht sind und/oder Reagenzien, die für eine Amplifikation eines Zieles gedacht sind, einschließen. Daher können zum Beispiel Fängermoleküle, die auf Mikrobeads und/oder Primer-Oligonukleotiden für eine Amplifikationsreaktion befestigt sind, in der Reaktionskammer 104 eingeschlossen sein. Die Reaktionskammer 104 kann die Probe mit den Fängermolekülen kombinieren, z.B. zum Binden von Zielen an die Fängermoleküle. Daher können zum Beispiel Reagenzien, die Fängermoleküle umfassen, die auf Mikrobeads befestigt sind, vor einem Assay in der Disk vorgeladen und gespeichert sein. Es können andere Reagenzien als die Fängermolekül-Mikrobeads in flüssiger, Gel- oder lypholisierter Form vorhanden sein, so dass die Fängermolekül-Mikrobeads in dem/den flüssigen, Gel- oder lyophilisierten Material(ien) suspendiert sind. Wenn ein Teil der Reagenzien lyophilisiert ist, kann die Probe oder Probenkomponente, die in die Reaktionskammer 104 (z.B. Blutplasma) zur Analyse eingeführt wird, das lyophilisierte Material oder die lyophilisierten Materialien rekonstituieren.
  • Wenn der Assay mehrere Reaktionsschritte einschließt, kann die Disk 100 zwei oder mehr Reaktionskammern 104 hintereinander einschließen, wobei jede Reaktionskammer 104 die geeigneten Reagenzien für die Reaktion einschließt. Zum Beispiel kann die Disk 100 zwei oder mehr Reaktionskammern 104 zur Durchführung verschiedener Schritte des Assays einschließen, z.B. eine erste Reaktionskammer 104, die eine erste Gruppe von Reagenzien für eine Amplifikation eines Zieles enthält, gefolgt von einer zweiten Reaktionskammer 104, die eine zweite Gruppe von Reagenzien zum Binden des amplifizierten Ziels mit Fängermolekülen enthält. Die Reaktionskammer(n) 104 kann/können mit einer oder mehreren Abfallkammern, die Abfallkammer 120 gleichen, zur Aufnahme und Lagerung überschüssiger Probe und/oder Reagenzien in Verbindung sein.
  • In einigen Aspekten kann die Reaktionskammer 104 als Inkubationskammer dienen. Zum Beispiel kann in einigen Aspekten die Reaktionskammer 104 ein oder mehrere detektionsspezifische Reagenzien und/oder ein oder mehrere Fängerreagenzien, mit denen die Disk 100 vorbeladen ist, umfassen, und die Reagenzien können mit der Probe in der Reaktionskammer 104 über einen vorher festgelegten Zeitraum (d.h. die Inkubationszeit) kombiniert werden. Die Inkubationszeit kann kontrolliert werden, z.B. durch Kontrolle der Rotationsgeschwindigkeit von Disk 100, durch die Verwendung von Ventilen, durch die Größe und/oder Form der Kammern und/oder miteinander verbundenen Kanäle. Wie oben beschrieben, kann Probe von Messkammer 106 in Reaktionskammer 104 über Ventil 111' freigesetzt werden, wenn Disk 100 über einer Schwellenrotationsgeschwindigkeit gedreht wird. Die Probe kann dann in Reaktionskammer 104 bleiben, bis Disk 100 über einer zweiten, höheren Schwellenrotationsgeschwindigkeit gedreht wird, um Ventil 111 zu öffnen. Daher kann ein Kontrollieren der Rotationsgeschwindigkeit von Disk 100 die Länge der Inkubationszeit in Reaktionskammer 104 kontrollieren. In einigen Aspekten kann eine Inkubationszeit im Bereich von mehreren Sekunden bis mehreren Minuten oder länger liegen, abhängig vom verwendeten Assaytyp. Zum Beispiel kann die Inkubationszeit im Bereich von etwa 1 Sekunde bis etwa 20 Minuten oder länger liegen, beispielsweise von etwa 3 Sekunden bis etwa 1 Minute, von etwa 5 Sekunden bis etwa 30 Sekunden, von etwa 1 Minute bis etwa 15 Minuten oder von etwa 10 Minuten bis etwa 15 Minuten.
  • Während sich die Probe in Reaktionskammer 104 befindet, kann Disk 100 alternierend im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, um ein Vermischen zu unterstützen. Die Rotationsgeschwindigkeit der Disk 100 während des alternierend im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn erfolgenden Mischvorgangs, kann unter der Schwellenrotationsgeschwindigkeit gehalten werden, die notwendig ist, um Ventil 111 zu öffnen, wodurch verhindert wird, dass die Probe Reaktionskammer 104 verlässt, bis der Misch- und/oder Inkubationsvorgang abgeschlossen ist. Eine Kontrolle der Inkubationszeit und des hier beschriebenen Mischens zwischen Probe und Reagens/Reagenzien kann auch für die unten beschriebenen Disks 200, 300 und 400 gelten.
  • In einigen Aspekten kann die Inkubation einer Probe sequentiell durchgeführt werden. Zum Beispiel kann eine Inkubation zuerst mit einem oder mehreren Fängerreagenzien stattfinden, und nach einem vorher festgelegten Zeitraum können ein oder mehrere Detektionsreagenzien in die Reaktionskammer 104 freigesetzt oder aktiviert werden. Zum Beispiel kann ein Detektionsreagens in der Reaktionskammer 104 in einem inaktivierten Zustand enthalten sein. In einigen Aspekten kann Bestrahlung, wie etwa Wärme, Licht oder andere Formen der Energieübertragung, zur Aktivierung des gelagerten Detektionsreagens verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Detektionsreagens in der Reaktionskammer 104 in einer inaktiven Form gelagert sein, indem das Reagens mit einer Photogruppe geschützt wird. Die Photogruppe kann eine Wechselwirkung zwischen dem Detektionsreagens und einem Zielmolekül, das das Detektionsreagens detektieren soll, verhindern. Ein Bestrahlen des inaktiven Detektionsreagens durch Anwenden von Wärme oder anderer Energie auf die Disk 100 oder einen Abschnitt der Disk 100 kann die protektive Photogruppe freisetzen, wodurch das Reagens aktiviert wird, und es dem Reagens gestatten, mit der Probe und, falls vorhanden, dem Zielmolekül zu reagieren. Der Aktivierungsschritt, z.B. Bestrahlung von Disk 100, kann vor Einbringen der Probe, während des Einbringens der Probe und/oder nach dem Einbringen der Probe in die Kammer, in der das inaktivierte Reagens gelagert ist, stattfinden. Eine Anwendung von Wärme auf Disk 100, wird weiter unten beschrieben.
  • In einigen Aspekten kann nach der anfänglichen Inkubation mit dem Fängerreagens/den Fängerreagenzien die Probe in eine zweite Reaktionskammer transferiert werden, die mit Reagenzien zur Detektion des Analyten vorbeladen sein kann. In einigen Ausführungsformen können das Detektionsreagens/die Detektionsreagenzien und die Probe in die sekundären Inkubationskammern gleichzeitig oder nacheinander eingebracht werden.
  • Alle geeigneten Fängerreagenzien und/oder Detektionsreagenzien können verwendet werden. Zum Beispiel kann/können in einigen Ausführungsformen das Fängerreagens/die Fängerreagenzien einen Antikörper umfassen, der für ein in der Probe vorhandenes Antigen spezifisch ist, und das Detektionsreagens/die Detektionsreagenzien kann/können einen sekundären Antikörper umfassen, der an eine Detektionsmarkierung (z.B. eine Fluoreszenzmarkierung, eine Lumineszenzmarkierung und/oder eine Enzymmarkierung, die ein Kaskadendetektionssignal auslösen können) gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann/können das Fängerreagens/die Fängerreagenzien ein Antigen umfassen, das spezifisch an einen in der Probe vorhandenen Antikörper bindet, und das Detektionsreagens/die Detektionsreagenzien kann/können einen humanspezifischen Antikörper umfassen, der an eine Detektionsmarkierung (z.B. eine Fluoreszenzmarkierung, eine Lumineszenzmarkierung und/oder eine Enzymmarkierung, die ein Kaskadendetektionssignal auslösen können) gekoppelt ist. Alternativ dazu oder zusätzlich kann/können das Fängerreagens/die Fängerreagenzien Nukleotidprimer umfassen, die die Amplifikation einer Sequenz einer genomischen Probe oder miRNA, die in der Probe vorhanden sind, auslösen, und das Detektionsreagens kann zum Beispiel ein interkalierendes Fluoreszenzmolekül oder eine kurze Oligonukleotidsequenz, die an eine Detektionsmarkierung gekoppelt ist (z.B. eine Fluoreszenzmarkierung, eine Lumineszenzmarkierung und/oder eine Enzymmarkierung, die ein Kaskadendetektionssignal auslösen können) umfassen. Diese beispielhaften Reagenzien können auch in Disks 200, 300 und 400, die im Einzelnen weiter unten beschrieben sind, verwendet werden.
  • Die obere Separationskammer 107, Separationskammer 108 und Detektionskammer 110 (die das Ende der Mikrofluidikkanalbahn umfassen kann) können für die Sammlung der gebundenen oder eingefangenen Ziele oder Analyten sorgen. Wenn zum Beispiel die Fängerreagenzien Mikrobeads umfassen, um Fängermolekül-Mikrobead-Zielkomplexe zu bilden, können die obere Separations-, Separations- und Detektionskammer 107, 108, 110 für eine Sammlung der Komplexe und Detektion des Zieles oder der Ziele sorgen. Zum Beispiel kann die obere Sedimentationskammer ausgebildet sein, die Probe hinunter zur Separationskammer 108 zu leiten. In einigen Aspekten kann die obere Separationskammer 107 eine sich verjüngende Form haben, um das Leiten des Kammerinhalts zu Separationskammer 108 zu fördern. Separationskammer 108 kann ein Dichtemedium umfassen, das zum Beispiel eine geringere Dichte als die Mikrobeads und eine größere Dichte als ungebundene Reagenzien aufweist. Dichtemedien, die für die hier beschriebenen Mikrofluidikdisks geeignet sind, schließen Ficoll ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Nach einer Reaktion mit der Probe können Mikrobeads durch das Dichtemedium in der Separationskammer 108 bewegt werden, um sie von anderen Reagenzien aufzutrennen und die Sammlung der Beads als ein Pellet in der Detektionskammer 110 zu erlauben. Das Pellet kann dann von einem Detektor analysiert werden, um das Vorhandensein und/oder die Konzentration von Zielen zu bestimmen und zu analysieren. Die Formen der Separationskammer 108 und der Detektionskammer 110 können gestaltet sein, um den Durchfluss der Mikrobeads durch das Dichtemedium und die Sammlung der Mikrobeads am Ende des Kanals zu erleichtern. Zum Beispiel kann die Detektionskammer 110 eine allgemein sich verjüngende, V-förmige Basis, wie in 1 gezeigt, oder eine andere geeignete Form aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann Disk 100 rotiert werden, so dass die Pelletbildung gefördert wird. Zum Beispiel kann Disk 100 (oder eine beliebige der Disks 200, 300 und 400, die unten beschrieben sind) bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 3.000 U/min bis ungefähr 5.000 U/min rotiert werden, um eine Pelletbildung zu fördern, wenn die Probe in die obere Separationskammer 107, Separationskammer 108 und/oder Detektionskammer 110 eintritt oder darin enthalten ist. Die Reaktions-, Separations- und Detektionskammern der Disks 200, 300 und 400 können ähnlich funktionieren wie jene von Disk 100 in 1.
  • In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung, z.B. wenn ein Mikroarray als das Substrat für Fängermoleküle anstatt Mikrobeads verwendet wird, kann die Disk 100 eine Arraykammer anstelle der oberen Separationskammer 107, Separationskammer 108 und Detektionskammer 110 einschließen, wie in 1 gezeigt. Die Arraykammer kann jede geeignete Form haben (einschließlich einer im Wesentlichen rechteckigen Form, ähnlich wie die Abmessungen der Separationskammer 108, oder einer im Wesentlichen quadratischen, kreisförmigen oder sonstigen Form) Die Arraykammer kann das Mikroarray-Substrat enthalten oder als dieses dienen. Zum Beispiel können Fängermoleküle auf der Oberfläche der Arraykammer zum Binden oder Hybridisieren an Analyten (z.B. Biomarker), die in der Probe vorhanden sind, befestigt sein. Wie oben besprochen, kann das Mikroarray gestaltet sein zur Detektion eines Zieles (wobei z.B. das Mikroarray Fängermoleküle, die für einen einzelnen Analyten spezifisch sind, einschließt) oder mehrerer, verschiedener Analyten (wobei z.B. das Mikroarray eine Gruppe von Fängermolekülen einschließt, von denen jedes Fängermolekül für einen unterschiedlichen Analyten spezifisch ist und ein unterschiedliches Merkmal des Mikroarrays definiert). Es ist anzumerken, dass, in einigen Assays, die zu detektierenden Analyten an Fängermoleküle eines Mikroarrays gebunden oder hybridisiert werden können, ohne zuerst die Probe mit Reagenzien reagieren zu lassen. In solchen Fällen kann die Disk 100 auch keine Reaktionskammern 104 einschließen, so dass der Probeneinlass 102, die Messkammer 106 und/oder eine oder mehrere Probenaufbereitungskammern (wie beispielsweise die Plasma und/oder Sedimentationskammern, die in Verbindung mit 3 und 4 unten besprochen werden) in die Arraykammer führen können.
  • In einigen Aspekten kann die Arraykammer Detektionsmoleküle einschließen, die spezifisch für die oder ergänzend zu den Zielen sind, um eine Detektion zu unterstützen. Die Detektionsmoleküle können mit den Analyten kombiniert werden, bevor oder nachdem die Analyten an die Fängermoleküle des Mikroarrays gebunden werden. Sobald die Analyten an die Fängermoleküle des Mikroarrays gebunden sind, kann die Arraykammer mit einer Pufferlösung gewaschen werden, z.B. um ungebundene oder unreagierte Reagenzien zu beseitigen. Die Pufferlösung kann durch Aktivieren von einer oder mehreren Reservoirkammern in Verbindung mit der Arraykammer eingebracht werden. Die Reservoirkammern können zum Beispiel durch Drehen der Disk 100 bei einer Schwellengeschwindigkeit zum Öffnen der Ventile (z.B. vergleichbar mit Ventil 111 und 111') zwischen der Arraykammer und dem/den Reservoir(s) aktiviert werden.
  • Nach dem Waschen kann das Mikroarray mit einem Detektor gescannt oder abgebildet werden, um die eingefangenen Analyten zu analysieren. Eine solche Analyse kann eine Identifizierung und/oder Quantifizierung von einer oder mehreren Abfragepositionen (z.B. Zielnukleotidsequenz) in den Analyten einschließen. Zum Beispiel können Analyten, die an Merkmale eines Mikroarrays in der Arraykammer gebunden sind, mit einer CCD-Kamera abgebildet werden, um die relative Intensität jedes Merkmals des Mikroarrays zu detektieren und zu messen. Die Position jedes Merkmals kann mit einem spezifischen Fängermolekül (z.B. einem Aptamer oder Oligonukleotid mit bekannter Nukleinsäuresequenz oder einem Antikörper, neben anderen geeigneten Fängermolekülen) assoziiert sein, so dass die Positionen der Merkmale verwendet werden können, um die detektierten Analyten zu identifizieren. In einigen Beispielen kann die Intensität jedes Merkmals verwendet werden, um die Konzentration des Analyten in der Probe zu ermitteln (z.B. basierend auf einer bekannten Intensitätsbeziehung oder -korrelation zu einer Analytenkonzentration). Die Detektion kann in einem einfärbigen oder einem zweifärbigen Modus durchgeführt werden. Ein zweifärbiger Modus kann zum Beispiel in einer vergleichenden Studie nützlich sein, um eine relative Genkopienzahl oder eine Überexpression oder Unterexpression von spezifischen Genen oder Proteinen in einer Kontrollprobe (z.B. gesunder Patient) im Vergleich zu einer unbekannten Probe zu bestimmen.
  • Während Disk 100, wie gezeigt, acht Fluidkanalbahnen einschließt, wird anerkannt, dass Disk 100 jede geeignete Zahl von Kanalbahnen einschließen kann. Zum Beispiel können einzelne Kanalbahnen auf Disk 100 näher beieinander oder weiter auseinander angeordnet sein. Die Anzahl von auf einer vorgegebenen Disk 100 eingeschlossen Kanalbahnen kann zumindest teilweise von der Anzahl der auf Disk 100 durchzuführenden Assays oder von der beabsichtigten Anwendung von Disk 100 abhängen. In einigen Aspekten kann in jeder Bahn eine andere Probe getestet werden, und eine Erhöhung der Anzahl von Bahnen kann die Anzahl von Proben, die gleichzeitig geprüft werden können, erhöhen. Jede Kanalbahn kann im Wesentlichen dieselben Arten und dieselbe Reihenfolge von Kammern einschließen, oder kann unterschiedliche Arten von Kammern und/oder eine unterschiedliche Reihenfolge von Kammern einschließen. Zum Beispiel kann die Disk 100 eine erste Kanalbahn, umfassend eine Reaktionskammer 104 in Fluidverbindung mit einer Separationskammer 108 und einer Detektionskammer 110, und eine zweite Kanalbahn, umfassend eine Reaktionskammer 104 in Fluidverbindung mit einer Arraykammer, einschließen.
  • In einigen Aspekten kann die Vorrichtung ausgebildet sein, gewisse Kammern einer Mikrofluidikdisk bei einer vorher festgelegten Temperatur oder einem vorher festgelegten Temperaturgradienten zu erhitzen, wie beispielsweise während einer Amplifikationsreaktion oder einer anderen Art von Reaktion. Zum Beispiel kann die Vorrichtung (siehe z.B. 6 und 7, die unten besprochen sind) ein oder mehrere Heizelemente in unmittelbarer Nähe von Disk 100 (oder einer der Disks 100, 300 oder 400, die unten besprochen sind), z.B. oberhalb und/oder unterhalb der Disk 100 einschließen. Die Position der Heizelemente kann mit der zu erwärmenden Örtlichkeit oder den zu erwärmenden Örtlichkeiten der Kammer(n) der Disk 100 übereinstimmen, so dass die Erwärmung auf die gewünschte(n) Kammer(n) lokalisiert ist. In einigen Beispielen können die Kammern so gestaltet sein, dass nur einige der Kammern (z.B. jene, die denselben radialen Abstand haben) von den Heizelementen erwärmt werden, wobei andere Kammern nicht erwärmt werden. In einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können Abschnitte der Mikrofluidikdisk ein Isoliermaterial oder Wärmetransfermaterial umfassen, um eine lokalisierte Erwärmung der Kammern zu ermöglichen.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Disk 200, umfassend eine Vielzahl von Mikrofluidikkanalbahnen, gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Kanalbahnen von Disk 200 können sich in regelmäßig beabstandeten Abschnitten radial nach außen erstrecken. Jede Kanalbahn kann ein Ventil 211 einschließen, das ein Berstventil sein kann, wie in 1 beschrieben. Die Mikrofluidikdisk 200 kann eine zentrale Öffnung 205, vergleichbar mit Öffnung 105 von Disk 100 in 1, einschließen. Die Disk 200 kann auch einen Marker 250 und/oder einen Marker 250' einschließen, um bei der Bestimmung der Lokalisierung verschiedener Kanalbahnen in Bezug zu einander zu helfen, z.B. um jeden Kanal mit einem bestimmten interessierenden Analyten während der Detektion zu assoziieren.
  • Jede Kanalbahn kann einen oder mehrere Probeneinlässe 236, einen oder mehrere Entlüftungen 237, Komponentenkammern 217 und 218, Mischkammer 204, Inkubationskammer 207, Entlüftungskanal 212, Entlüftungsloch 214, Separationskammer 208, Entlüftung 215 und Detektionskammer 210 einschließen oder damit in Verbindung sein. Während eines Betriebs kann ein Teil einer Probe in einen Einlass 236, der sich in jeder von Komponentenkammer 217 und Komponentenkammer 218 befindet, eingebracht werden. Komponentenkammern 217, 218 können jeweils ein Reagens oder eine Kombination von Reagenzien unterbringen, die ausgebildet sind, um sich mit der Probe zu vermischen. In einigen Aspekten kann jede Komponentenkammer 217, 218 dieselbe Art von Reagens/Reagenzien einschließen. Zum Beispiel kann das Aufteilen des Reagens/der Reagenzien zwischen zwei getrennten Kammern es ermöglichen, dass das gesamte Probenvolumen vollständiger mit dem Reagens vermischt werden kann. In einigen Aspekten können Komponentenkammern 217, 218 jeweils ein unterschiedliches Reagens oder eine unterschiedliche Kombination von Reagenzien unterbringen. Das kann die schrittweise Einbringung verschiedener Reagenzien ermöglichen. Zum Beispiel können die verschiedenen Reagenzien sich mit aliquoten Teilen einer Probe vermischen, die getrennt in die entsprechenden Kammern 217, 218 eingebracht werden, bevor sie in Mischkammer 204 miteinander kombiniert werden. In einigen Beispielen können Komponentenkammern 217, 218 jeweils eine Entlüftung 237 zum Druckausgleich einschließen, wenn die Probe in die Kammern eingebracht wird, und/oder das Entweichen von gasförmigen Nebenprodukten ermöglichen, wenn die Probe mit dem Reagens/den Reagenzien gemischt wird.
  • Die Probe kann dann von Komponentenkammern 217, 218 in Mischkammer 204 fließen. Mischkammer 204 (die in einigen Ausführungsformen ein Mischkanal sein kann) kann geformt sein, um das Mischen der Probe, wenn sie eintritt und durchfließt, zu fördern. Wie in Bezugnahme zu 1 beschrieben, können ein(e) oder mehrere Kanäle oder Kammern in einem radialen oder azimutalen Zickzackmuster ausgerichtet sein, um ein Mischen der Probe mit dem Reagens/den Reagenzien zu fördern. In 2 kann die Mischkammer 204 eine oder mehrere Abschnitte einschließen, die im Wesentlichen senkrecht zum Fluidfluss vom Einlass 236 zur Detektionskammer 210 ausgerichtet sind. In einigen Aspekten kann der Querschnitt der Mischkammer 204 (oder des Mischkanals) variieren, z.B. alternierend von größer zu kleiner, was einen Fokussier- und Defokussierzyklus zur weiteren Unterstützung des Vermischens erzeugen kann. Die Wände einer Kammer und/oder eines Kanals können Merkmale, wie etwa physikalische Strukturen, einschließen, um die Probe und das Reagens oder die Reagenzien zu inkubieren und zu vermischen. Die Wände von Mischkammer 204 definieren einen Serpentinenpfad. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Wände einen oder mehrere Winkel, Vorsprünge oder Aussparungen einschließen, um den Fluidstrom zu schütteln oder anderweitig zu beeinflussen.
  • Die Mischkammer 204 kann sich in eine Inkubationskammer 207 entleeren. Die Probe kann für eine vorher festgelegte Dauer zur Aufbereitung der Probe in Inkubationskammer 207 einbehalten werden. Ein Ventil 211, wie Ventil 111 aus 1, kann die Probe in Inkubationskammer 207 halten, bis Disk 200 über einer gewissen Schwellengeschwindigkeit rotiert wird. Inkubationskammer 207 kann fluidisch mit einem Entlüftungskanal 212 und einem Entlüftungsloch 214 verbunden sein, da ähnlich wie andere hier beschriebene Entlüftungen funktionieren können.
  • In einigen Aspekten kann Inkubationskammer 207 ähnlich wie Reaktionskammer 104, die oben beschrieben ist, funktionieren, insofern als Inkubationskammer 207 Reagenzien enthalten kann, die sich mit der Probe vermischen, wenn die Probe eintritt. In diesem Aspekt kann die Inkubationskammer 207 auch eine schrittweise Einbringung einer Probe mit Reagens/Reagenzien erlauben. Zum Beispiel können ein oder mehrere Reagenzien mit der Probe in Komponentenkammern 217, 218 gemischt werden, und zusätzliche(s) Reagens/Reagenzien kann/können mit der Probe in Inkubationskammer 207 gemischt werden.
  • Probe kann dann von Inkubationskammer 207 in Separationskammer 208 und in Detektionskammer 210 fließen. Eine oder beide von Separationskammer 208 und Detektionskammer 210 können eine Entlüftung 215 einschließen, die ausgebildet ist, Druck auszugleichen, wenn die entsprechenden Kammern sich mit Fluid füllen, und/oder Nebenprodukte abzulassen, die durch Reaktion mit Reagenzien produziert werden. Separationskammer 208 und Detektionskammer 210 können ähnlich sein wie Separationskammer 108 und Detektionskammer 110, die unter Bezugnahme auf Disk 100 weiter oben beschrieben sind. In einigen Aspekten kann die Disk 200 eine Arraykammer einschließen, z.B. anstelle von Separationskammer 208 und Detektionskammer 210, wie oben in Verbindung mit 1 besprochen.
  • Während Disk 200, wie gezeigt, fünf Fluidkanalbahnen einschließt, ist zu berücksichtigen, dass Disk 200 jede geeignete Anzahl von Kanalbahnen einschließen kann. Zum Beispiel können einzelne Kanalbahnen auf Disk 200 näher beieinander oder weiter auseinander angeordnet sein. Die Anzahl von Kanalbahnen, die auf einer vorgegebenen Disk 200 eingeschlossen sind, kann zumindest teilweise von der Anzahl der auf Disk 200 durchzuführenden Assays oder von der beabsichtigten Anwendung von Disk 200 abhängen. In einigen Aspekten kann in jeder Bahn eine unterschiedliche Probe getestet werden, und eine Erhöhung der Anzahl von Bahnen kann die Anzahl von Proben, die gleichzeitig geprüft werden können, erhöhen.
  • 3 zeigt einen Abschnitt einer anderen beispielhaften Mikrofluidikdisk 300. Jede Kanalbahn von Disk 300 schließt einen Probeneinlass 302, einen Einlasskanal 301, eine Sedimentationskammer 326, eine Kompressionskammer 322, eine Plasmakammer 324, einen Auslasskanal 327, einen Hauptkanal 330, eine Abfallkammer 320, eine Vielzahl von Messkammern 332, eine Vielzahl von Reaktionskammern 307, eine Vielzahl von Separationskammern 308 und eine Vielzahl von Detektionskammern 310 ein. Wie Disks 100 und 200 kann Mikrofluidikdisk 300 auch eine zentrale Öffnung 305, eine oder mehrere Ventile 311 und einen oder mehrere Entlüftungen 314, 315 einschließen, die ähnlich wie die äquivalenten Komponenten, die auf Disks 100 und 200 aus 1 und 2 eingeschlossen sind, arbeiten.
  • Auf Disk 300 kann der Transport von Fluid aus einer vorgegebenen fluidhaltigen Kammer und/oder aus einem vorgegebenen fluidhaltigen Kanal zu anderen nachgelagerten Kammern und/oder Kanälen mit Hilfe der Kompressionskammer 322 erzielt werden. Eine Probe kann in einen Probeneinlass 302 eingebracht werden und kann radial nach außen durch Einlasskanal 301 laufen. Der Einlasskanal 301 kann sich in eine radial außenliegende Sedimentationskammer 326 entleeren, die fluidisch mit der Plasmakammer 324, die radial innerhalb in Bezug zu Sedimentationskammer 326 positioniert ist, verbunden sein kann. Wenn die Probe eingebracht wird, kann Luft oder ein anderes Gas/andere Gase, die in der Disk vorhanden ist/sind, in Kompressionskammer 322 eingeschlossen werden. Die Kompressionskammer 322 kann an die Plasmakammer 324 angrenzen und im Wesentlichen in derselben radialen Position wie die Plasmakammer 324 sein. Plasmakammer 324 kann mit der Kompressionskammer 322 über eine azimuthale fluidische Verbindung verbunden sein, und die azimuthale fluidische Verbindung kann im Wesentlichen an derselben azimuthalen Position wie Auslasskanal 327 sein, der aus Plasmakammer 324 austritt. Der Auslasskanal 327 kann eine radiale Einwärtskrümmung, gefolgt von einer radialen Auswärtskrümmung aufweisen.
  • Wenn die Disk 300 bei einer ersten Geschwindigkeit rotiert wird, kann sich das Fluid in Plasmakammer 324 aufgrund von Zentrifugalkräften möglicherweise nicht entlang der radialen Einwärtskrümmung des Auslasskanals 327 fortbewegen. Zum Beispiel kann die erste Rotationsgeschwindigkeit für das Fluid ausreichen, um sich in der Sedimentationskammer 326 und/oder der Plasmakammer 324 zu sammeln, aber für das Fluid zu groß sein, um sich an der radialen Einwärtskrümmung des Auslasskanals 327 vorbeizubewegen. Infolgedessen kann das Fluid in der Plasmakammer 324 gegen Luft oder ein anderes Gas/andere Gase, die in der Kompressionskammer 322 vorhanden sind, drücken und das Gas/die Gase komprimieren. Wenn die Disk 300 auf eine zweite Rotationsgeschwindigkeit verlangsamt oder gestoppt wird, kann das komprimierte Gas oder können die komprimierten Gase in Kompressionskammer 322 sich ausdehnen, wodurch das Fluid an der Einwärtskrümmung des Auslasskanals 327 vorbei gedrückt wird, was den Zentrifugalkräften erlaubt, das in Plasmakammer 324 enthaltene Fluid entlang dem Auslasskanal 327 und in die nachgelagerten Kammern und/oder Kanäle zu entleeren.
  • In gewissen Aspekten kann die Abtrennung von Plasma aus einer Blutprobe mit Hilfe einer Kompressionskammer 322 erreicht werden. Zum Beispiel können zwei Kammern in radial unterschiedlichen Positionen (z.B. radial innerhalb und radial außerhalb) fluidisch mit einander verbunden sein. Eine Blutprobe kann in eine Kammer des Paares von Kammern eingebracht werden, die sich an radial unterschiedlichen Positionen auf der Disk befinden.
  • Auf Disk 300 aus 3 ist zum Beispiel Sedimentationskammer 326 die radial äußere Kammer und Plasmakammer 324 die radial innere Kammer. Die Disk 300 kann in einer vorher festgelegten Weise (z.B. bei einer vorher festgelegten Geschwindigkeit) rotiert werden, um rote Blutzellen und andere Blutkomponenten, die schwerer als Plasma sind, in der radial äußeren Sedimentationskammer 326 zu sammeln und das leichtere Plasma in der radial inneren Plasmakammer 324 zu lokalisieren. Auf diese Weise können schwerere Blutkomponenten von leichteren Blutkomponenten getrennt werden. Die erste Rotationsgeschwindigkeit, die ausreichend ist, um eine Auftrennung des Blutes hervorzurufen, kann zum Beispiel im Bereich von etwa 500 U/min bis etwa 10.000 U/min, z.B. von etwa 500 U/min bis etwa 5.000 U/min oder von etwa 3.000 U/min bis etwa 7.000 U/min, liegen.
  • Plasma von der radial inneren Plasmakammer 324 kann zu nachgelagerten Kammern und/oder Kanälen mit Hilfe der Kompressionskammer 322 transportiert werden. Die Kompressionskammer 322 kann an die Plasmakammer 324 angrenzen und im Wesentlichen in derselben radialen Position wie die Plasmakammer 324 sein, und kann mit der Plasmakammer 324 mittels einer azimuthalen fluidischen Verbindung an derselben azimuthalen Position wie Auslasskanal 327 verbunden sein, der von der Plasmakammer 324 ausgeht. Der Auslasskanal 327 kann eine radiale Einwärtskrümmung, gefolgt von einer radialen Auswärtskrümmung aufweisen, wie oben beschrieben ist. Wenn die Disk bei Geschwindigkeiten rotiert wird, die ausreichen, um Plasma von Blut abzutrennen, kann Fluid aufgrund der Zentrifugalkräfte daran gehindert werden, sich an der radialen Einwärtskrümmung des Auslasskanals 327 vorbei zu bewegen. Die Flüssigkeit kann zum Beispiel gegen Luft oder ein anderes Gas/andere Gase in der Kompressionskammer 322 drücken und das Gas/die Gase komprimieren. Wenn die Disk auf eine zweite Geschwindigkeit verlangsamt oder gestoppt wird, kann das komprimierte Gas oder können die komprimierten Gase expandieren, wobei die Flüssigkeit in die radial innere Plasmakammer 324 an der Einwärtskrümmung des Auslasskanals 327 vorbei gedrückt wird. Die zweite niedrigere Geschwindigkeit kann jede beliebige Geschwindigkeit sein, die langsamer als die Anfangsgeschwindigkeit ist, die verwendet wird, um die Blutkomponenten zu trennen. In einigen Aspekten kann die zweite Geschwindigkeit das vollständige Anhalten von Disk 300 einschließen. Zentrifugalkräfte können dann die Flüssigkeit von der radial inneren Plasmakammer 324 in eine(n) oder mehrere nachgelagerte(n) Kanäle und/oder Kammern entleeren. Schwerere Blutkomponenten, die in Sedimentationskammer 326 gesammelt werden, können in der Sedimentationskammer 326 bleiben und Auslasskanal 327 nicht verlassen, und können infolgedessen wirksam aus der Probe entfernt werden. Der Rest der Assays kann dann an dem Plasma im Gegensatz zu Vollblut durchgeführt werden.
  • Obwohl gewisse Merkmale von Disk 300 im Zusammenhang mit einer Analyse einer Blutprobe, z.B. einschließlich Bezugnahme auf Kammer 324 als eine „Plasma“-Kammer 324, und die Abtrennung von Blutplasma von anderen schwereren Blutkomponenten besprochen werden, ist es offensichtlich, dass jedes geeignete Fluid in Plasmakammer 324 enthalten sein kann und dass jede geeignete Probe in schwerere und leichtere Komponenten aufgetrennt werden kann. Disk 300 ist nicht auf die Anwendung mit einer Blutprobe beschränkt. Daher kann zum Beispiel Plasmakammer 324 verwendet werden, um schwerere Komponenten aus einem anderen biologischen Fluid während eines Assays herauszutrennen.
  • In einigen Aspekten kann die Auftrennung von Plasma erreicht werden, zum Beispiel durch Verwendung von Kapillarkräften und/oder die Anwendung von Druck auf das Plasma (oder eine andere getrennte Komponente einer Probe), um es zu zwingen, dass es sich in gewisse Bereiche der Disk bewegt. Die Disk kann rotiert werden, um Plasma in eine vorgegebene Richtung, z.B. durch einen bestimmten Kanal oder eine bestimmte Kammer, mithilfe von Zentrifugalkräften zu schieben. In einigen Aspekten kann Disk 300 (oder eine von Disks 100, 200 oder 400) ein oder mehrere Filter oder Filtermaterialien, zum Beispiel ein(e) poröse(s) Membran, Harz oder quervernetztes Gel wie Sephadex, einschließen. Zum Beispiel kann das Filter oder können die Filter sich zwischen einer Blutzufuhrkammer (z.B. Plasmakammer 324) und einem Auslasskanal oder Auslassloch/Auslasslöchern (z.B. Auslasskanal 327) befinden. Die Porengröße des Filters oder der Filter kann nur den Durchgang von einer Probe, z.B. Plasma, erlauben und kann im Wesentlichen einen Durchgang von größeren Materialien in Auslasskanal 327 verhindern. Zusätzlich oder alternativ dazu können sich ein oder mehrere Filter zwischen Sedimentationskammer 326 und Plasmakammer 324 befinden, oder an einem oder beiden Enden von beispielsweise Probeneinlass 302 und Probeneinlasskanal 301. Beispielhafte Disks in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können Filter einschließen, das/die in einen Probeneinlass der Disk montiert ist/sind, um es dem aufgetrennten Plasma zu erlauben, in das Kanalsegment einzutreten und einer Analyse unterzogen zu werden.
  • Das/die Filter oder Filtermaterial können verwendet werden, um selektiv unerwünschtes Material zu entfernen, z.B. Ablagerungen oder unerwünschte Komponenten, wie etwa Kleinmoleküle, Oligonukleotide, Proteine oder Zellen, die in der Probe von einer nachfolgenden Analyse der Probe während eines Assays vorhanden sind. In einigen Ausführungsformen kann/können das/die Filter oder Filtermaterial teilweise oder vollständig beschichtet sein, z.B. um seine/ihre Affinität für spezifische Komponenten, die von der Probe zu entfernen sind, zu verbessern, wie z.B. Kleinmoleküle, Oligonukleotide, Proteine oder Zellen, die in der Probe vorhanden sind. Beispielhafte Beschichtungen können hydrophil, hydrophob oder amphiphil sein. Geeignete Beschichtungen schließen z.B. natürliche und synthetische Materialien, wie etwa funktionalisierte Silane, Polymere, Polyamine, Polystyrole, Graphene, Polysaccharide, Polyethylenglykole, Kleinmoleküle, Lösungen oder Salze ein. In einigen Aspekten können geeignete Beschichtungen zum Beispiel gerinnungshemmende Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise EDTA oder Heparin.
  • Fluid, das durch Auslasskanal 327 fließt, kann in einen Messabschnitt bewegt werden (der Messkammern 332 umfasst), z.B. um das geeignete Volumen eines aliquoten Teils für nachfolgende Schritte des Arbeitsablaufes aufzuteilen (siehe z.B. 3). Die aufgetrennte Probenkomponente (z.B. Plasmakomponente) kann von Auslasskanal 327 zu Hauptkanal 330 von Messkammern 332 fließen.
  • Wie in 3 gezeigt, kann die Anzahl von Reaktionskammern 307, Separationskammern 308 und Detektionskammern 310 (zur Detektion eines Zieles) größer sein als die Anzahl von Probeneinlässen 302. Wie zum Beispiel gezeigt wird, schließt die Disk 300 fünf Reaktionskammern 307, fünf Separationskammern 308 und fünf Detektionskammern 310 (gemeinsam Inkubationskammern) für jeden Probeneinlass 302 ein.
  • Die Probe kann in eine Vielzahl von parallelen Bahnen unterteilt werden (z.B. fünf in Disk 300), und in einigen Aspekten kann jede parallele Bahn ausgebildet sein, eine einzige Art von Analyt, z.B. einen einzigen Biomarker einzufangen, so dass jede Bahn in einer Kanalbahn repräsentativ für einen unterschiedlichen Biomarker ist. In anderen Aspekten kann jede parallele Bahn für denselben Biomarker repräsentativ sein, oder einige können gleich sein, während andere verschieden sind. Beads, umfassend Fängermoleküle, die für den jeweiligen Biomarker, der in jeder parallelen Bahn gelagert ist, spezifisch sind, können im Wesentlichen gleichzeitig oder in einigen Ausführungsformen sequentiell analysiert werden. Die Reihenfolge einer Analyse kann davon abhängen, wann die Probe in jede Bahn aliquotiert wird (z.B. simultan oder sequentiell).
  • Während 3 fünf parallele Reaktionskammern 307 veranschaulicht, die sich in entsprechende Separationskammern 308 und Detektionskammern 310 entleeren, kann jede beliebige geeignete Anzahl von parallelen Reaktionskammern verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Kanalbahn eine Sequenz von 1 bis 100 Reaktionskammern einschließen, wie etwa von eins bis zwanzig Kammern, von eins bis zehn Kammern, z.B. der Reihe nach 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15 oder 20 Kammern.
  • Die Anzahl von parallelen Reaktionskammern in einer vorgegebenen Kanalbahn kann, in einigen Aspekten, basierend auf der Anzahl verschiedener Biomarker, die in einem Assay gemessen werden, bestimmt werden. Als ein Beispiel kann Disk 300 zur Anwendung mit einem Assay ausgebildet sein, der 5 verschiedene Biomarker detektiert, und daher kann jede Kanalbahn 5 Reaktionskammern 307 parallel zueinander einschließen. Durch Einschließen der Reaktionskammern 307 parallel zueinander kann Disk 300 eine Detektion von 5 verschiedenen Biomarkern im Wesentlichen gleichzeitig oder, in einigen Aspekten, sequenziell in einer vorgegebenen Kanalbahn ermöglichen. In einigen Aspekten können dieselben Biomarker in jeder Reaktionskammer 307 in einer vorgegebenen Bahn gemessen werden, aber jede Reaktionskammer 307 kann verschiedene Reagenzien oder Kombinationen von Reagenzien enthalten. In solchen Aspekten kann die Disk 300 es erlauben, dass eine Probe auf denselben Biomarker unter Verwendung von 5 verschiedenen Reagenzien oder Kombinationen von Reagenzien, einem in jeder Reaktionskammer 307, getestet wird.
  • Der Kammer- und Kanalkreislauf einer vorgegebenen Disk kann angeordnet sein, um eine Messung von mehreren Biomarkern für mehrere Proben zu erlauben, oder umgekehrt, mehrere Biomarker für eine einzelne Probe zu messen. Die Anordnung der Reaktionskammern, Separationskammern und Detektionskammern (oder, wenn ein Mikroarray verwendet wird, der Arraykammer) kann die Anzahl von zu detektierenden Biomarkern beeinflussen. Zum Beispiel kann ein Assay auf 2-20 Biomarker überprüfen, z.B. 15 mit einer Erkrankung assoziierte Biomarker. Daher kann jede Kanalbahn beispielsweise 15 Reaktionskammern, eine für jeden zu detektierenden Biomarker, einschließen. Eine in eine vorgegebene Kanalbahn eingebrachte Probe kann dann zwischen den 15 Reaktionskammern aufgeteilt werden, wenn die Probe durch die Kammern und/oder Kanäle der Bahn fließt.
  • Mehrere Kanalbahnen können dann auf einer Disk angeordnet sein, wobei sich jede von einem zentralen Bereich der Disk radial nach außen erstreckt. Die Anzahl von Kanalbahnen, die auf einer Disk eingeschlossen sind, kann zumindest teilweise von der Größe der Disk und/oder der Anzahl von Reaktionskammern, die parallel in einer vorgegebenen Kanalbahn angeordnet sind, abhängen. Zum Beispiel kann für einen beispielhaften Assay, der zum allgemeinen Krebs-Screening verwendet wird, die Disk 1 bis 10 Kanalbahnen einschließen, wie beispielsweise zwischen 3 und 7 Bahnen. Daher kann zum Beispiel, wenn 4 Bahnen auf einer einzelnen Disk eingeschlossen sind, die Disk insgesamt 60 einzelne Reaktionskammern einschließen, z.B. zum Testen von bis zu 4 verschiedenen Proben (z.B. eine Probe in jeder Kanalbahn).
  • In einem anderen Beispiel kann ein Brustkrebs-Panel eine Detektion und/oder Messung von 5 einzelnen Biomarkern einschließen, so dass jede Kanalbahn auf einer Disk eine Kammer und/oder einen Kanal (z.B. eine Messkammer) einschließen kann, die eine einzelne Probenzuführung in jede von 5 Reaktionskammern aliquotiert. Die Anzahl von Kanalbahnen, die auf einer Disk eingeschlossen sind, kann zumindest teilweise von der Größe der Disk abhängen. Disk 300 kann zum Beispiel zwischen 1 und 20 Kanalbahnen oder mehr, z.B. zwischen 10 und 15 Kanalbahnen, einschließen. Zum Beispiel, wenn 12 Kanalbahnen auf Disk 300, mit jeweils 5 Detektionskammern, eingeschlossen sind, würde Disk 300 z.B. insgesamt 60 einzelne Reaktionskammern einschließen und könnte in der Lage sein, bis zu 12 Proben zu testen.
  • Eine oder mehrere Messkammern 332 können in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung im Hinblick auf Auslasskanal 327 und Reaktionskammern 307, Separationskammern 308 und Detektionskammern 310 angeordnet sein. Jede Messkammer 332 führt in eine Reaktionskammer 307 (wobei z.B. in einigen Beispielen die Disk 300 mit Reagenzien wie etwa Fängermolekülen und/oder Mikrobeads vorbeladen sein kann), eine Separationskammer 308 (wobei in einigen Beispielen Dichtemedien vorgeladen sein können) und eine Detektionskammer 310 (wobei in einigen Beispielen die Disk 300 mit Reagenzien wie Detektionsreagenzien vorbeladen sein kann). Die Probe kann aus Auslasskanal 327 heraus und in Hauptkanal 330 hinein fließen. Wenn das Fluid den Hauptkanal 330 entlang fließt, können die Messkammern 332 sich mit Fluid füllen. Wenn Messkammern 332 sich füllen, kann überschüssiges Fluid aus dem Hauptkanal 330 und schließlich in die Abfallkammer 320 fließen. Eine oder mehrere Entlüftungen 314 können sich in Hauptkanal 330 und/oder Abfallkammer 320 befinden.
  • Die Anzahl von Messkammern 332 kann gemäß der Anzahl von zu analysierenden Analyten (z.B. Biomarkern) bestimmt werden. Zum Beispiel kann die Gesamtzahl von Messkammern einer vorgegebenen Disk im Bereich von 1 bis 1.000, wie beispielsweise von 1 bis 500, von 1 bis 200, von 1 bis 100, von 1 bis 60, von 1 bis 50, von 1 bis 20, von 1 bis 12 oder von 1 bis 6 liegen. Jede Messkammer 332 kann dasselbe Aliquotierungsvolumen aufweisen, oder unterschiedliche Messkammern 332 können unterschiedliche Aliquotierungsvolumen aufweisen, abhängig von den Vorrichtungsparametern, die zur Analyse der spezifischen Biomarker, die in einer Probe oder einem Proben-Panel vorhanden sind, geeignet sind. Beispielhafte Aliquotierungsvolumen können im Bereich von etwa 1 Nanoliter bis zu einem oder mehr Millilitern, wie beispielsweise von etwa 0,1 Mikrolitern bis etwa 100 Mikrolitern liegen.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Ventil 311 sich zwischen jeder Messkammer 332 und einer entsprechenden Reaktionskammer 307, die auch als Inkubationskammer dienen kann, befinden. Jede Reaktionskammer 307 kann mit einem oder mehreren Reagenzien vorbeladen werden, um einen interessierenden Analyten zu detektieren, wie oben unter Bezugnahme auf Disks 100 und 200 beschrieben ist. In einigen Aspekten können verschiedene Reaktionskammern 307 mit jeweils denselben Reagenzien oder mit jeweils verschiedenen Reagenzien vorbeladen werden. Die Ventile 311 können durch Zentrifugalkraft (z.B. kann jedes Ventil 311 ein Berstventil sein, wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben) oder andere geeignete Aktivierungsmechanismen aktiviert werden. Nach Aktivierung der Ventile 311 (z.B. Rotation der Disk 100 über einer Schwellengeschwindigkeit) kann das aliquotierte Volumen von Probenfluid in einer vorgegebenen Messkammer 332 in eine entsprechende Reaktionskammer 307 eintreten. In einigen Aspekten können eine oder mehrere Reaktionskammern 307 einen Absatz 336 in einer niedrigeren Region der Reaktionskammer 307 einschließen, die ein zweites Ventil einschließen kann. Das Ventil an Absatz 336 kann verhindern, dass die Probe aus der Reaktionskammer 307 und in Separationskammer 308 fließt, bis Disk 100 bei einer vorher festgelegten Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird (zum Beispiel von ungefähr 1.000 U/min bis ungefähr 5.000 U/min, z.B. von ungefähr 2.000 U/min bis ungefähr 3.000 U/min). Der Inhalt von Reaktionskammer 307, einschließlich z.B. Probe, Mikrobeads etc., kann daran gehindert werden, aus Reaktionskammer 307 heraus und in Separationskammer 308 einzutreten, bis das Ventil an Absatz 336 geöffnet ist. Wie zuvor besprochen, kann die Rotationsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um Ventil 311 zu öffnen, geringer sein als die Rotationsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um das Ventil an Absatz 336 zu öffnen. In einigen Aspekten können die Reagenzien und die aliquotierte (gemessene) Probe in die Separationskammern 108 zu im Wesentlichen demselben Zeitpunkt oder sequentiell, eine nach der anderen, eingebracht werden. Zum Beispiel können einzelne Ventile 311 ausgebildet sein, sich bei verschiedenen Schwellengeschwindigkeiten zu öffnen. In solchen Anordnungen kann ein Rotieren der Disk 300 bei einer Geschwindigkeit ein erstes Ventil 311 öffnen, dann kann ein Rotieren der Disk 300 bei einer höheren Geschwindigkeit ein zweites Ventil 311 öffnen und dadurch die Freisetzung von Probe aus Reaktionskammern 307 in Separationskammern 308 staffeln. Die Differenz der Schwellengeschwindigkeiten der einzelnen Ventile in Bezug zu einander kann relativ gering sein. Während dieses Abschnitts des Assays kann die Disk 300 bei einer schrittweise rascheren Geschwindigkeit rotiert werden, um eine gestaffelte Freisetzung der Ventile 311 zu verursachen
  • Jede Kanalbahn anschließend an die Messkammern 332 kann ein spezifisches Muster aufweisen, z.B. einer Bahn für eine Reaktion mit einem spezifischen Reagens oder einer Gruppe von Reagenzien folgen, abhängig davon, welcher Analyt eingefangen und detektiert werden soll. In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel mindestens eine der Kanalbahnen anschließend an eine Messkammer 332 zwei oder mehr Reaktionskammern 307 einschließen, die nacheinander angeordnet sind. Zum Beispiel kann ein Prozess gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Inkubationsschritt einschließen, in dem die Probe mit Reagenzien in mehreren Reaktionskammern nacheinander behandelt wird.
  • Probe, die reagierte und unreagierte Reagenzien enthält, kann von Reaktionskammern 307 in Separationskammern 308 fließen (was in Kammern 108 oder 208, wie oben besprochen, auftreten kann), um Analyten (z.B. eingefangene Analyten) von den ungebundenen Reagenzien abzutrennen und/oder um die Analyten in einer nachfolgenden Kammer, etwa der Detektionskammer 310, zu konzentrieren. In einigen Aspekten können die eingefangenen Analyten durch physikalische Mittel abgetrennt werden. Zum Beispiel können die Reagenzien Bead-immobilisierte Fängerreagenzien einschließen, die eine andere Dichte haben können als die Lösung, umfassend die Probe und unreagierte Detektionsreagenzien, sowie andere Komponenten, wie Puffer und/oder Tenside. Eine Vielzahl von Mikrobeads kann Fängermoleküle kovalent auf der Oberfläche befestigt haben, so dass eine Bindungsstelle am freien Ende jedes Fängermoleküls zum Binden mit einem Ziel der Probe verfügbar ist. Die Abtrennung von eingefangenen Analyten kann durch Rotieren der Disk erfolgen, um die eingefangenen Analyten und die anderen Komponenten der Lösung Zentrifugalkräften auszusetzen.
  • In einigen Aspekten können die Separationskammern 308 (oder Kammern 108 oder 208, die oben besprochen sind) mit einer Sedimentationslösung oder Waschpuffer mit bekannter Dichte vorbeladen werden, um die Abtrennung der eingefangenen Analyten vom Rest der Reagenzien zu erleichtern. Eine solche Sedimentationslösung oder ein solcher Waschpuffer kann eine Dichte aufweisen, die zwischen der Dichte des Bead-immobilisierten Fängerreagens und der Dichte des Rests der Reagenzien liegt. Bei Anwendung einer Zentrifugalkraft (z.B. über eine Rotation der Disk) können sich die Bead-immobilisierten Fängerreagenzien in der Separationskammer 308 verdichten, z.B. ein Pellet bilden. Das Volumen des gebildeten Pellets kann zumindest teilweise auf der Größe und Zahl der Beads und der angewendeten Zentrifugalkraft basieren. Zum Beispiel kann Disk 300 bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 3.000 U/min bis ungefähr 5.000 U/min rotieren, um eine Pelletbildung zu fördern.
  • In einigen Ausführungsformen kann jede Separationskammer 308 (oder Kammern 108 oder 208, die oben besprochen sind) dazu dienen, die Bead-immobilisierten Fängerreagenzien zu verdichten (die verwendet werden können, um ein Signal zu erzeugen, das Analyten anzeigt, die von den Beads eingefangen und an diese gekoppelt sind), indem sie schmaler wird, wenn sie sich radial nach außen erstreckt, um die Detektionskammer 310 zu bilden. Detektionskammer 310 kann daher dimensioniert sein, um die verdichteten Beads zu enthalten. Die Form der Detektionskammer(n) 310 kann basierend auf den Eigenschaften des Pellets ausgewählt sein, das durch den Sedimentationsvorgang erzeugt wird. Zum Beispiel kann die Größe der Detektionskammer(n) 310 abhängig sein von der Gesamtzahl von fangimmobilisierten Beads, die für einen spezifischen Analyten verwendet werden. In der Ausführungsform aus 3 kann jede Detektionskammer 310 dieselbe Größe und/oder Form in Bezug zu den anderen Detektionskammern 310 aufweisen, oder jede Detektionskammer 310 kann nicht dieselbe Größe und/oder Form aufweisen. Zum Beispiel kann die Disk 300 mindestens eine Detektionskammer 310 einschließen, die eine andere Größe und/oder andere Form als mindestens eine andere Detektionskammer 310 hat. Die Abmessungen der Detektionskammer 310 können zumindest teilweise basierend auf der Natur des/der zu detektierenden Analyten und/oder des Fängerreagens oder der Fängerreagenzien, das oder die zum Einfangen des Analyten zur Detektion verwendet werden, ausgewählt sein.
  • In einigen Aspekten kann/können die Detektionskammer(n) 310 (oder Kammern 110 oder 210, wie oben besprochen) ein Gesamtvolumen zwischen etwa 1 Nanoliter und etwa 1 Milliliter, wie beispielsweise zwischen etwa 10 Nanolitern und etwa 1 Mikroliter haben. Die Abmessungen (z.B. Tiefe, Länge in einer radialen Auswärtsrichtung, Breite von Seite zu Seite und Querschnittsfläche) der Detektionskammer(n) 310 können gleich oder anders als die Abmessungen der Sedimentationskammer(n) 308 sein. In einigen Aspekten kann die Tiefe der Detektionskammer(n) 310 zwischen etwa 0,1 Mikron und etwa 10 Millimetern betragen, wie beispielsweise zwischen etwa 0,1 Mikron und etwa 100 Mikron. Wie hierin verwendet, umfasst „zwischen“ im Zusammenhang mit einem Bereich sowohl die erste als auch die letzte Zahl in dem Bereich.
  • Eine Detektion des Analyten oder der Analyten kann mit jeder geeigneten Technik durchgeführt werden, einschließlich radioaktiver, elektrischer oder optischer Mittel, wie beispielsweise Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Lumineszenz, Chemolumineszenz oder Absorbanz, neben anderen Techniken.
  • In einigen Ausführungsformen kann/können die Detektionskammer(n) 310 (oder Detektionskammern 110 oder 210, wie oben besprochen) eine Beschichtung einschließen. Zum Beispiel können die Detektionskammern 310 mit einem Kleinmolekül- und/oder einem Polymermaterial beschichtet sein, zum Beispiel um die Detektion des/der Analyten zu verbessern, etwa durch Amplifizieren des Signals oder durch Reduzieren von Hintergrundgeräuschen. Beispielhafte Beschichtungen können hydrophil, hydrophob oder amphiphil sein. Geeignete Beschichtungen schließen z.B. natürliche und synthetische Materialien ein, wie etwa funktionalisierte Silane, Polymere, Polyamine, Polystyrole, Graphene, Polysaccharide, Polyethylenglykole, Kleinmoleküle, Lösungen oder Salze. In einigen Aspekten können geeignete Beschichtungen gerinnungshemmende Eigenschaften haben, wie beispielsweise EDTA oder Heparin. In einem Aspekt kann eine Oberfläche oder können mehrere Oberflächen der Detektionskammer(n) 310 zum Beispiel Kleinmoleküle, Oligonukleotide, Proteine und/oder polymere Strukturen, die daran immobilisiert sind, einschließen, um das Signal zu amplifizieren oder Hintergrundgeräusche zu reduzieren.
  • In einigen Aspekten kann die Disk 300 (oder Disks 100, 200 oder 400) eine Komponente einschließen, die ausgebildet ist, ein Signal (z.B. optisch, radioaktiv oder elektrisch) zu verbergen, das von einem anderen Abschnitt der Disk 300 als der Detektionskammer 310 ausgeht. Zum Beispiel können andere Abschnitte der Disk 300 als die Detektionskammern 310 eine Beschichtung einschließen, die sie undurchsichtig macht. Undurchsichtige Materialien, wie schwarzes Plastik, können verwendet werden, um Abschnitte der Disk während der Fertigung zu bilden, oder Beschichtungen, z.B. schwarze Beschichtungen, können auf eine transparente Disk während der Fertigung aufgetragen werden. In einigen Aspekten kann eine Disk aus transparentem Material gebildet sein, und eine Seite des transparenten Materials kann mit einem lichtbrechenden Material beschichtet sein, um die Effizienz der Lichtanregung während des Detektionsschrittes durch Förderung einer Lichtreflexion zu erhöhen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann für eine Disk 300, die aus transparentem Material hergestellt ist, eine Schicht, die undurchsichtig für die verwendete Strahlung oder das verwendete Signal ist, auf die Disk geklebt werden, und eine Öffnung kann an einer Örtlichkeit gelassen werden, die mit der Örtlichkeit der Detektionskammer(n) 310 übereinstimmt. In einigen Ausführungsformen kann die Disk aus einem undurchsichtigen Material oder undurchsichtigen Materialien hergestellt sein, und eine Einlage aus transparentem Material oder transparenten Materialien kann an der Örtlichkeit der Detektionskammern 310 aufgetragen werden. In einigen Aspekten kann die Disk 300 eine Arraykammer einschließen, z.B. anstelle von Separationskammer 308 und Detektionskammer 310, wie oben in Verbindung mit 1 besprochen.
  • Wie oben in Verbindung mit 1 und 2 erwähnt, können die hier beschriebenen Mikrofluidikdisks ein oder mehrere Merkmale einschließen, die bei der Bestimmung der Identität und/oder Örtlichkeit der bestimmten Mikrofluidikbahnen in Bezug zu einander helfen. In gewissen Aspekten kann jede der Disks 100, 200, 300 oder 400 einen oder mehrere Marker oder Markerregionen einschließen, die für Orientierungszwecke verwendet werden können. Zum Beispiel können die Markerregionen verwendet werden, um die Detektorregion zu positionieren, die Rotationsgeschwindigkeit der Disk zu messen und/oder die relative Position von optischen Signalerzeugungsregionen auf der Disk zu messen, während die Disk rotiert. Die Markerregionen können Veränderungen der Oberflächenstruktur, Farbe, Reflektivität oder anderer geeigneter Eigenschaften einschließen, um sie vom Rest der Disk zu unterscheiden. In einigen Aspekten können Markerregionen Aussparungen, Rillen, Vorsprünge oder andere Formveränderungen von den umgebenden Abschnitten der Disk einschließen. Markerregionen können sich auf einer Oberseite, Unterseite oder Seitenfläche befinden oder können in einer Oberfläche der Disk eingebettet sein. Die Markerregionen können für einen menschlichen Benutzer erkennbar sein oder auch nicht und können von einer Komponente des Mikrofluidiksystems lesbar sein oder nicht.
  • Disk 400, die in 4 gezeigt wird, kann auf im Wesentlichen ähnliche Weise wie Disk 300 funktionieren, außer dass Disk 400 möglicherweise keine Kompressionskammer einschließt. Indem keine Kompressionskammer eingeschlossen ist, kann Disk 400 die Raummenge, die jede Kanalbahn auf der Disk einnimmt, reduzieren, was, in einigen Aspekten, Disk 400 ermöglichen kann, kompakter zu sein, oder die Anzahl von Tests und/oder Proben, die auf einer einzelnen Disk 400 durchgeführt werden können, erhöhen kann. In einigen Aspekten kann eine Reduktion der Anzahl von Kanälen und/oder Kammern auch die Kosten der Diskfertigung reduzieren. In einigen Fällen kann es jedoch vorteilhaft sein, eine Kompressionskammer einzuschließen. Zum Beispiel kann eine Kompressionskammer die Diskfunktion für Assays verbessern, in denen eine stärkere Kraft notwendig ist, um das Fluid entlang einer Kanalbahn zu bewegen. In einigen Aspekten kann eine Kompressionskammer anschließend an eine Reaktionskammer und/oder eine Mischkammer positioniert sein, um ein Mischen der Probe zu fördern.
  • Der Fluss der Probe durch Disk 400 kann über eine Rotation der Disk und Kapillarkraft erreicht werden. Eine Probe kann in Probeneinlass 402 eintreten, in Probeneinlasskammer 422 und Einlasskanal 401 fließen. Einlasskanal 401 kann sich in eine radial äußere Sedimentationskammer 426 entleeren, die fluidisch mit Plasmakammer 424 verbunden sein kann. Plasmakammer 424 kann fluidisch mit einer Entlüftung 415 verbunden sein. Die Fluidverbindung zwischen Sedimentationskammer 426 und Plasmakammer 424 kann schmaler sein als jede der beiden Kammern, so dass Sedimentationskammer 426 und Plasmakammer 424 gemeinsam eine sanduhrartige Form bilden. Wie Disk 300 kann sich ein Auslasskanal 427 fluidisch mit Plasmakammer 424 verbinden und kann eine radiale Einwärtskrümmung, gefolgt von einer radialen Auswärtskrümmung aufweisen. Wenn die Disk 400 mit einer ersten Geschwindigkeit rotiert wird, kann das Fluid in Plasmakammer 424 nicht in der Lage sein, sich aufgrund von Zentrifugalkräften an der radialen Einwärtskrümmung des Auslasskanals 427 vorbei zu bewegen. Wenn die Disk 400 auf eine zweite Geschwindigkeit verlangsamt wird, können die Zentrifugalkräfte abnehmen und das Fluid kann sich an der Einwärtskrümmung des Auslasskanals 427 vorbei und in die nachgelagerten Kammern und/oder Kanäle über ein oder mehr von Kapillarwirkung und Zentrifugalkraft bewegen.
  • Wie bei Disk 300, kann der Einschluss von zwei Kammern, die fluidisch mit einander verbunden sind und sich an radial unterschiedlichen Positionen befinden (z.B. radial innerhalb und radial außerhalb) es ermöglichen, dass Zellen und/oder andere schwerere Komponenten einer Probe sich radial nach außen bewegen und sich in der radialen äußeren Kammer ansammeln, während leichtere Komponenten sich radial nach innen bewegen und sich in der radial inneren Kammer als Reaktion auf Zentrifugalkräfte ansammeln. Eine Probe, z.B. eine Blutprobe, kann in eine Kammer des Paares von Kammern eingebracht werden, die sich an radial unterschiedlichen Positionen auf der Disk befinden.
  • Auf Disk 400 aus 4 ist zum Beispiel Sedimentationskammer 426 die radial äußere Kammer und Plasmakammer 424 die radial innere Kammer. Die Disk 400 kann in einer vorher festgelegten Weise (z.B. bei einer vorher festgelegten Geschwindigkeit) rotiert werden, um rote Blutzellen und andere Blutkomponenten, die schwerer als Plasma sind, in der radial äußeren Sedimentationskammer 426 zu sammeln und das Plasma in der radial inneren Plasmakammer 424 zu lokalisieren. Auf diese Weise können schwerere Blutkomponenten von leichteren Blutkomponenten abgetrennt werden. Geeignete Rotationsgeschwindigkeiten zum Abtrennen von Plasma von anderen Blutkomponenten können im Bereich von ungefähr 500 U/min bis ungefähr 10.000 U/min, z.B. von ungefähr 500 U/min bis ungefähr 5.000 U/min oder von ungefähr 3.000 U/min bis ungefähr 7.000 U/min liegen.
  • In einigen Aspekten kann Plasma dann aus der radial inneren Plasmakammer 424 zu nachgelagerten Kammern transportiert werden. Wenn die Disk 400 bei höheren Geschwindigkeiten rotiert wird, die ausreichen, um Plasma von Blut abzutrennen, kann Fluid aufgrund von Zentrifugalkräften daran gehindert werden, sich an der radialen Einwärtskrümmung des Auslasskanals 427 vorbei zu bewegen. Ein Rotieren von Disk 400 bei höheren Geschwindigkeiten kann auch das Plasma (oder eine andere geeignete Probe) in Plasmakammer 424 komprimieren. Wenn die Disk 400 auf eine zweite, geringere Geschwindigkeit verlangsamt wird, kann die auf die Probe wirkende Zentrifugalkraft reduziert werden, und die Probe in der radial inneren Plasmakammer 424 kann z.B. über Kapillarwirkung an der Einwärtskrümmung des Auslasskanals 427 vorbei fließen. Eine Verlangsamung von Disk 400 kann es dem Plasma auch ermöglichen, sich innerhalb der Plasmakammer 424 auszudehnen, wodurch eine Bewegung der Probe aus Plasmakammer 424 und in den Auslasskanal 427 gefördert wird. Beispielhafte langsamere Geschwindigkeiten können jede geeignete Geschwindigkeit einschließen, die geringer ist als die erste Geschwindigkeit, die zur Probenauftrennung verwendet wird, einschließlich z.B. des vollständigen Anhaltens von Disk 400. Zentrifugalkräfte können dann die Flüssigkeit von der radial inneren Plasmakammer 424 in eine(n) oder mehrere nachgelagerte(n) Kanäle und/oder Kammern entleeren. Schwerere Blutkomponenten, die in Sedimentationskammer 426 gesammelt werden, können in der Sedimentationskammer bleiben und Auslasskanal 427 nicht verlassen, und können infolgedessen wirksam aus der Probe entfernt werden. In einigen Aspekten kann Auslasskanal 427 ferner ein oder mehrere Ventile, Filter, Filtermaterialien etc. einschließen, um den Durchfluss von Fluid zu steuern und/oder zu verhindern, dass aufgetrennte Probenkomponenten in Sedimentationskammer 426 in Auslasskanal 427 eintreten. Der Rest der Assays kann dann an dem Plasma, im Gegensatz zu Vollblut durchgeführt werden.
  • Die aufgetrennte Probe (z.B. Plasmaprobe) kann von Auslasskanal 427 zu Hauptkanal 430 von Messkammern 432 fließen. Überschüssiges Fluid kann zu Abfallkammer 420 fließen und aliquotiertes Fluid kann von Messkammern 432 in Reaktionskammern 407 (die als Inkubationskammern agieren können), Separationskammern 408 und Detektionskammern 410 fließen. Diese Komponenten können im Wesentlichen ähnlich wie die entsprechenden Komponenten von Disk 300 arbeiten, wie im Einzelnen oben beschrieben. In einigen Aspekten kann jede Separationskammer 408 und Detektionskammer 410 dimensioniert sein, um ungefähr 1 µl bis ungefähr 6 µl Fluid zu fassen, z.B. ungefähr 5 µl Fluid.
  • Gleichermaßen können Ventile 411' und 411 ähnlich wie Ventile 111' und 111 arbeiten, was unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wird. Zum Beispiel können in einem beispielhaften Aspekt Ventile 411', 411 Berstventile einschließen. Eine Rotation von Disk 400 unter einer Schwellenrotationsgeschwindigkeit kann verhindern, dass Probe von Messkammern 432 zu Reaktionskammern 407 fließt, während eine Rotation über dem Schwellenwert ausreichend Zentrifugalkraft bereitstellen kann, um das Ventil 411' zu öffnen, was es der Probe ermöglicht, zwischen den Kammern zu fließen. Gleichermaßen kann eine Rotation von Disk 400 unter einer Schwellenrotationsgeschwindigkeit verhindern, dass Probe von Reaktionskammer 407 zu Sedimentationskammer 408 fließt, während eine Rotation über dem Schwellenwert ausreichend Zentrifugalkraft bereitstellen kann, um das Ventil 411 zu öffnen, was es der Probe ermöglicht, zwischen den Kammern zu fließen. In einigen Aspekten kann der Kraftaufwand, der notwendig ist, um das Ventil 411' zwischen Messkammern 432 und Reaktionskammern 407 zu öffnen, geringer sein als der Kraftaufwand, der notwendig ist, um Ventil 411 zwischen Reaktionskammern 407 und Sedimentationskammer 408 zu öffnen. Anders ausgedrückt, kann es eine niedrigere Schwellenrotationsgeschwindigkeit brauchen, um Ventil 411' zu öffnen als um Ventil 411 zu öffnen. Zum Beispiel kann sich Ventil 411' als Reaktion auf eine Rotation über einem Schwellenwert von ungefähr 1.000 U/min bis ungefähr 2.000 U/min öffnen, während sich Ventil 411 als Reaktion auf eine Rotation über einem Schwellenwert von ungefähr 1.500 U/min bis ungefähr 3.000 U/min öffnen kann.
  • Während Disk 400, wie gezeigt, zwölf Fluidkanalbahnen einschließt, wird anerkannt, dass Disk 400 jede geeignete Zahl von Kanalbahnen einschließen kann. Zum Beispiel können einzelne Kanalbahnen auf Disk 400 näher beieinander oder weiter auseinander angeordnet sein. Die Anzahl von Kanalbahnen, die auf einer vorgegebenen Disk 400 eingeschlossen sind, kann zumindest teilweise von der Anzahl der auf Disk 400 durchzuführenden Assays oder von der beabsichtigten Anwendung von Disk 400 abhängen. In einigen Aspekten kann in jeder Bahn eine andere Probe getestet werden, und eine Erhöhung der Anzahl von Bahnen kann die Anzahl von Proben erhöhen, die von derselben Mikrofluidikdisk, z.B. gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig, geprüft werden kann. In einigen Aspekten kann die Disk 400 eine Arraykammer einschließen, z.B. anstelle von Separationskammer 408 und Detektionskammer 410, wie oben in Verbindung mit 1 besprochen.
  • Wie in 4 gezeigt, schließt eine der Kanalbahnen von Disk 400 eine Abfallkammer 420' ein, die eine andere Größe und Form als die anderen Abfallkammern 420 aufweist. Das Einschließen einer Kanalbahn mit einer/einem oder mehreren Kammern oder Kanälen unterschiedlicher Größe kann, wie die hier beschriebenen Marker, einem Detektor oder einem Anwender signalisieren, welche Kanalbahn die erste Kanalbahn ist. Obwohl Disk 400 ein Beispiel mit einem einzigartigen Merkmal, d.h. Abfallkammer 420', veranschaulicht, das bei der Identifizierung von bestimmten Kanalbahnen von Nutzen ist, kann Disk 400 ein solches Merkmal auch nicht einschließen. Zum Beispiel kann jede Kanalbahn von Disk 400 identisch mit den anderen Kanalbahnen sein.
  • In einigen Aspekten kann die Mikrofluidikdisk ein Magnetrührwerk einschließen, um das Vermischen von Probe und Reagenzien zu fördern. Zum Beispiel kann jede von Disks 100, 200, 300 und/oder 400 relativ kleine Partikel einschließen, z.B. Mikrobeads oder -rods, mit denen eine Mischkammer vorbeladen ist. Die Partikel können ein ferromagnetisches Material umfassen. Ein Magnet kann unter einem Abschnitt der Disk positioniert sein, und wenn die Disk rotiert, kann ein magnetisches Feld in einer vorgegebenen Mischkammer erzeugt werden und dann ausgeschaltet werden, wenn diese Mischkammer über den Magneten geht. Dieses intermittierende Magnetfeld kann dazu führen, dass die Partikel in der Mischkammer sich bewegen, was den Inhalt der Mischkammer schütteln kann, wodurch das Mischen unterstützt wird. Die Partikel können sich rascher oder langsamer in der Mischkammer bewegen, abhängig von der Geschwindigkeit, bei der die Disk rotiert wird. Solche Partikel können in anderen Kammern eingeschlossen sein, zum Beispiel Reaktionskammern, Probenaufbereitungskammern oder Komponentenkammern.
  • Beispielhafte Disks, die hier beschrieben sind, können Kanalbahnkomponenten, einschließlich Kammern, Kanäle, Ventile, Einlässe, Filter, Entlüftungen etc., umfassen, die eine geeignete Größe, Form, Ausrichtung, Anordnung, Länge, Breite, Tiefe oder andere Kennzeichen aufweisen. Die für eine vorgegebene Disk gewählten Kennzeichen können z.B. vom Disktyp, Arraytyp, von der Komponentenanordnung, den Diskmaterialien, der Anzahl von Kanalbahnen, dem Volumen oder der Art von zu verwendenden Testproben oder geeigneten Faktoren oder Kombinationen von Faktoren abhängig sein.
  • Diskfertigung
  • Aspekte der Offenbarung können sich auch auf Verfahren zur Herstellung von Mikrofluidikdisks beziehen. Beispielhafte Disks 100, 200, 300 und/oder 400 können folgendermaßen gefertigt werden:
    • (1) Eine obere Ausführung der Disk kann in gegossenes Acryl (oder ein anderes geeignetes Material) lasergeschnitten werden, um ein oder mehrere Einlässe und/oder einen oder mehrere Entlüftungslöcher zu bilden. Ausrichtungslöcher können ebenfalls in eine Außenkante der Disk, an einer von der Diskmitte entfernten Örtlichkeit, lasergeschnitten werden. Die obere Ausführung der Disk kann im Wesentlichen eine flache, diskförmige Oberfläche, einschließlich eines oder mehrerer Löcher, sein (z.B. Einlässe oder Entlüftungslöcher). In einigen Aspekten schließt die obere Ausführung möglicherweise keinen Bahnkreislauf (z.B. Kammern oder Kanäle) ein.
    • (2) Eine untere Ausführung der Disk kann lasergeschnitten werden, um ein oder mehrere Ausrichtungslöcher zu bilden. Die unter Ausführung kann in ein transparentes Material lasergeschnitten werden, wie etwa gegossenes transparentes Acryl oder andere geeignete Materialien. Die unter Ausführung kann die Grundfläche einer oder mehrerer Kammern (wie in 5 gezeigt) einschließen und/oder ein oder mehrere Ventile, Filter und/oder Kanäle, die in die untere Ausführung integriert sind, einschließen.
    • (3) Fensterregionen können auf einer Schutzpapierschicht auf der unteren Diskausführung lasermarkiert werden.
    • (4) Eine Mittelschichtausführung, die Kanäle und Kammern enthält (welche nicht in die untere Ausführung integriert werden, falls vorhanden) kann unter Verwendung eines Vinyl-Cutters in Haftmittel geschnitten werden.
    • (5) Die Disk kann folgendermaßen montiert werden:
    • (5a) Das Schutzpapier auf der unteren Diskausführung kann entfernt werden, wobei die Fensterregionen zurück bleiben. Eine undurchsichtige Beschichtung (z.B. schwarze, matte Lackierung) kann aufgesprüht oder auf andere Art auf die untere Diskausführung aufgetragen werden, und dann kann das die Fensterregionen abdeckende Schutzpapier, das zurückgelassen worden war, entfernt werden.
    • (5b) Unerwünschte (Kanal, Mittelloch, Ausrichtungslöcher) Regionen auf dem Haftmittel können abgezogen/abgeschält werden, aber das Träger-Trennpapier kann intakt gelassen werden.
    • (5c) Etwaige Schutzschichten, die auf der unteren Disk bleiben, können mit geeigneten Lösungsmitteln gereinigt und getrocknet werden.
    • (5d) Die Haftmittelschicht kann sorgfältig unter Verwendung von Ausrichtungsstiften an dem Acryl ausgerichtet werden, und das untere Trennpapier kann an einer Region, z.B. einer Ecke, entfernt werden. Das Haftmittel kann dann mit der unteren Disk in Kontakt gebracht werden. Die Ausrichtungsstifte können entfernt werden, und das untere Trennpapier des Haftmittels kann langsam abgenommen werden, während die exponierten Haftregionen ausgerollt werden, um sich mit der unteren Ausführung der Disk zu verkleben.
    • (5e) Schritt 5c und 5d können für die obere Disk wiederholt werden.
    • (5f) In einem Heißlaminierungsschritt kann eine Heißlaminiervorrichtung auf etwa 160 Grad Celsius erhitzt werden, und die Disk kann laminiert werden, indem sie durch die Doppelwalzen der Heißlaminiervorrichtung in jede Richtung geführt wird. Die Disk kann mehrere Male durch die Doppelwalzen geführt werden, z.B. fünf oder mehr Male. Wird sie mehrere Male hindurch geführt, kann die Disk nach jedem Durchlauf rotiert werden, um eine gleichmäßige Laminierung zu fördern.
  • 5 zeigt einen unteren Abschnitt 503 einer Disk, bevor der untere Abschnitt 503 mit einer oberen Laminierung versiegelt wird. Der untere Abschnitt 503 schließt eine zentrale Öffnung 505 und eine Vielzahl von Fluidkanalbahnen 550 ein, wobei jede die Grundflächen von Kammern und Kanalbahnen umfasst.
  • In einigen Aspekten kann die Fertigung von beispielhaften Disks auch keine Mittelschicht einschließen. Stattdessen können die Kanäle, Kammern, Ventile und/oder Filter in die untere Ausführung integriert werden, und die obere Ausführung kann an der unteren Ausführung befestigt werden. Zum Beispiel kann die untere Ausführung direkt mit der oberen Ausführung versiegelt werden. Die obere Ausführung kann, verglichen mit der unteren Ausführung, aus demselben Material oder aus einem anderen Material gebildet sein. In einigen Aspekten kann die obere Ausführung minimale oder keine Merkmale (z.B. Kammer, Kanäle etc.) einschließen. In anderen Aspekten kann eine doppelseitige Haftzwischenschicht zwischen der oberen Ausführung und der unteren Ausführung eingeklemmt werden, um sie miteinander zu versiegeln.
  • In jedem der Fertigungsprozesse können die unteren Ausführungen gefräst, geschnitten, eingeätzt, gestanzt, durch Spritzgießen geformt, oder unter Verwendung einer geeigneten additiven oder subtraktiven Fertigungstechnik geformt werden. Wenn Mikroarrays verwendet werden, können Fängermoleküle (z.B. kovalent oder nicht kovalent gebunden oder verknüpft) vor der letzten Montage der Disk während der Fertigung auf der unteren Ausführung oder einem anderen Abschnitt der Disk befestigt werden (z.B. in einer Arraykammer).
  • Ein oder mehrere Reagenzien, Beschichtungen, Dichtemedien, Fängermoleküle, Fluide, Mikrobeads etc. (gemeinsam Diskkomponenten) können zur Disk während des Fertigungsprozesses hinzugefügt werden, so dass die Disk mit diesen zur Durchführung eines Assays vorbeladen ist. Die Komponente(n) kann/können in flüssiger oder fester Form oder einer Kombination von beidem sein. In einem Aspekt kann die untere Ausführung der Disk als ein Reservoir für die Diskkomponenten geformt und dann verwendet werden. Zum Beispiel können Kammern in die untere Ausführung der Disk gestaltet werden, und dann kann/können die Komponente(n) zu ihren entsprechenden Kammern hinzugefügt werden. In einigen Aspekten können die Kammern (oder die gesamte Disk), sobald sie mit Komponente(n) beladen sind, einem Lyophilisierungsvorgang ausgesetzt werden, um die Komponente(n) in einem lyophilisierten Zustand zu konservieren, um die Haltbarkeit der Komponente(n) in der Disk zu verlängern. Nach dem Lyophilisierungsschritt können zusätzliche flüssige oder feste Komponente(n) zu den Kammern der Disk hinzugefügt werden. Die Kammern (oder gesamte Disk) können dann erneut einem Lyophilisierungsschritt ausgesetzt werden, um die zusätzliche(n) Komponente(n) zu konservieren. Die Komponenten-Hinzufügungs- und Lyophilisierungsschritte können mit geeigneter Häufigkeit wiederholt werden. In einigen Aspekten können gewisse Komponente(n) eine Lyophilisierung erfordern, andere Komponente(n) wiederum nicht. In solchen Aspekten können die Kammern mit einigen der Komponente(n) beladen sein, der Lyophilisierungsschritt kann stattfinden, und dann können dieselben oder andere Kammern mit zusätzlichen Komponente(n) beladen werden, wonach kein zusätzlicher Lyophilisierungsschritt stattfinden kann. Oder in anderen Aspekten kann der Lyophilisierungsschritt völlig aus dem Fertigungsprozess ausgelassen werden. Sobald die Komponenten hinzugefügt wurden, kann die obere Ausführung der Disk mit der unteren Ausführung versiegelt werden, wodurch die Komponenten in die Disk versiegelt werden.
  • In einigen beispielhaften Aspekten können Komponenten (z.B. Reagens/Reagenzien, einschließlich Dichtemedien) in die Kammern in einer flüssigen Form eingebracht werden und können innerhalb der Kammern und/oder Kanäle versiegelt werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Verdampfung der flüssigen Komponenten oder einer Migration der flüssigen Komponenten auf der Disk während der Lagerung zu vermeiden. Beispielhafte Materialien, die zum Versiegeln der Kammern und/oder Kanäle geeignet sind können Paraffin und andere chemisch inerte Materialien einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Zum Beispiel kann ein Dünnfilm, etwa ein Paraffinbogen, verwendet werden, um die flüssigen Komponenten in den Kammern zu versiegeln, bevor die obere Diskausführung über die untere Diskausführung versiegelt wird. Der Paraffinbogen kann einzelne Kammern und/oder Kanäle versiegeln, oder kann eine Paraffinschicht umfassen, die sich über Abschnitte der Disk oder über eine Fläche der Disk erstreckt, die die Kammern und/oder Kanäle definiert. In einigen Aspekten kann Paraffin in ein Ventil, z.B. ein Berstventil, integriert werden, um das Ventil zu abzudichten. Das Abdichten des Ventils kann die angrenzende(n) Kammer(n) oder den angrenzenden Kanal/die angrenzenden Kanäle abdichten. Das Paraffin kann eine Schmelztemperatur unter dem Betriebsbereich des Assays und über der Lagertemperatur für die Disk haben. Infolgedessen kann das Paraffin in einem festen Zustand bleiben, wobei die Flüssigkeit in der Kammer/den Kammern versiegelt wird, bis die Disk in ein Instrument zum Betreiben der Disk eingeführt wird oder bis die Disk in Verwendung ist. Zu diesem Zeitpunkt kann das Paraffin schmelzen, was den Durchfluss von Flüssigkeiten und Gasen innerhalb die Kanalbahnen der Disk ermöglicht.
  • In anderen beispielhaften Aspekten können flüssige Komponenten in aufreißbaren Behältern gelagert werden, z.B. einem oder mehreren Beuteln oder Blisterpackungen, die mit einem automatisierten oder manuellen Mechanismus aufgerissen werden können, um die flüssigen Komponenten vor oder während des Betriebs der Disk in die Kanalbahnen freizusetzen. Die Behälter können zum Beispiel mit einer scharfen oder stumpfen Nadel oder einer ähnlichen Vorrichtung, durch Kompression, durch die Anwendung von Wärme oder als Reaktion auf Zentrifugalkraft, die durch Rotation der Disk über einer gewissen Geschwindigkeit erzeugt wird, aufgerissen werden.
  • In anderen Aspekten können die Disks mit einem Beladungsloch über oder neben einer zu füllenden Kammer gebildet werden. Zum Beispiel kann die obere Ausführung der Disk eine oder mehrere Beladungslöcher einschließen, die positioniert sind, so dass die Beladungslöcher, wenn die obere Ausführung über die untere Ausführung versiegelt wird, sich an Kammern, die in der unteren Ausführung geformt sind, ausrichten. Beladungslöcher können zum Beispiel an einer oder mehreren einer Reaktionskammer, Inkubationskammer, Einlasskammer, Komponentenkammer oder Separationskammer ausgerichtet sein. Nachdem die obere Ausführung an der unteren Ausführung versiegelt wurde, kann die Disk mit einer oder mehreren Diskkomponenten beladen werden, indem die Komponenten durch die Beladungslöcher und in die Kammern, die an den Beladungslöchern ausgerichtet sind, geführt werden. Nachdem die Komponenten in die Kammern durch die Beladungslöcher eingebracht wurden, können letztere offen gelassen werden oder können alternativ dazu mit einem geeigneten Material versiegelt werden, wodurch die Komponenten in der Disk versiegelt werden. Beispielhafte Beladungslöcher 114, 437 werden in Disk 100 und 400 gezeigt, obwohl in anderen Aspekten Disk 100 und 400 möglicherweise keine Beladungslöcher einschließen und gemäß jedem geeigneten Verfahren gefertigt werden können.
  • Zusätzlich zu einer Disk können Mikrofluidiksysteme gemäß der vorliegenden Offenbarung auch eine Detektionskomponente zum Detektieren eines Analyten oder Zieles (z.B. Biomarker) einschließen, der oder das an Mikrobeads über Fängermoleküle gebunden ist, wie oben besprochen. 6 zeigt eine beispielhafte Mikrofluidikvorrichtung (alternativ als ein Mikrofluidiksystem beschrieben), umfassend eine Mikrofluidikdisk 700, eine Stromquelle, wie einen Motor 750, und eine Detektionskomponente 760. Die Disk 700 kann beliebige der Merkmale von Disks 100, 200, 300 und/oder 400, die weiter oben besprochen werden, einschließen, einschließlich z.B. einer Vielzahl von Kanalbahnen 703 und einer zentralen Öffnung 705. Die Kanalbahnen 703 können in Verbindung mit einer Vielzahl von Detektionskammern sein, die, wie gezeigt, sequentiell mit A-P markiert sind. Die Disk kann funktionsfähig an den Motor 750 über eine Antriebswelle 740 gekoppelt sein, so dass der Motor 750 die Rotation der Disk 700 über die Antriebswelle 740 antreiben und die Geschwindigkeit und Richtung der Rotation bestimmen kann. Der Motor kann die Rotation der Disk 700 gegen den Uhrzeigersinn (in der Richtung des in 6 gezeigten Pfeiles) und/oder im Uhrzeigersinn bei einer vorher festgelegten Geschwindigkeit oder einer Reihe von vorher festgelegten Geschwindigkeiten steuern.
  • Die Detektionskomponente 760 kann ausgebildet sein, das Vorhandensein von Zielen durch Messen von Signalen von Detektionsmolekülen, die an die Ziele gebunden sind und in entsprechenden Detektionskammern A-P am oder unmittelbar am Rand der Disk 700 gesammelt werden, zu detektieren. Zum Beispiel kann die Detektionskomponente 760 Absorbanz, Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder Elektrochemolumineszenz oder einen anderen Signaltyp von einer detektierbaren Markierung der Disk 700 detektieren. Die Menge eines Zieles in jeder Detektionskammer A-P (und somit die Konzentration des Zieles in der Originalprobe) kann basierend auf dem detektierten Signal, der Örtlichkeit jeder Detektionskammer A-P in Bezug zu den anderen und die Rotationscharakteristika der Disk 700 bestimmt werden. Falls zum Beispiel die Signalerfassung beginnt, wenn die Detektionskomponente 760 an der Detektionskammer A ausgerichtet ist, wenn die Disk 700 rotiert, kann die von Detektionskammer A abgegebene Signalmenge von der von Detektionskammern B-P abgegebenen Signalmenge basierend auf der Rotationsgeschwindigkeit und der Örtlichkeit der Detektionskammer A unterschieden werden. Somit kann für jede vollständige Rotation der Disk 700 die Detektionskomponente 760 ein Signal für jede von Detektionskammern A-P erfassen. Wenn die Detektionskammern A-P unterschiedliche Ziele enthalten (z.B. aufgrund der Verwendung von unterschiedlichen Fängermolekülen zum Binden der Ziele, wie oben beschrieben), können die Konzentrationen mehrerer Ziele, die in der Probe vorhanden sind, gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig ermittelt werden.
  • In einigen Aspekten kann die Detektionskomponente 760 ein optischer Detektor, einschließlich einer Lichtquelle 765 zum Erzeugen von Licht, ein Detektor 767 und optische Mittel 762 (z.B. Spiegel und/oder Linsen) sein, die Licht von der Lichtquelle 765 zur Disk 700 leiten und von der Disk 700 abgegebenes Licht zum Detektor 767 umleiten. In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Detektionskomponente Lichtanregung in verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Bereich und auch außerhalb des sichtbaren Bereichs, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Laseranregung oder eine LED-Anregung und einen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Sensor zur Detektion von spezifischen Wellenlängen unter Verwendung von einem oder mehreren geeigneten Filtern und/oder dichroischen Strahlteilern.
  • Die Detektionskomponente 760 kann ferner ein Lesegerät zur Analyse von Daten von dem Detektor 767 und einen Bildschirm zur Anzeige einer Ausgabe vom Lesegerät einschließen. Das Lesegerät kann optisch sein. In einigen Ausführungsformen kann die Detektionskomponente 760 ein Abbildungssystem einschließen, z.B. umfassend eine CCD (Charge Coupled Device)-Kamera. Eine Ausgabe von dem Abbildungssystem kann auf einem Computer-Bildschirm oder einer anderen Benutzeroberfläche oder einem anderen Betrachtungsapparat angezeigt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf beispielsweise eine LCD (Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige)-Vorrichtung. In einigen Aspekten kann eine Ausgabe von dem Abbildungssystem auf eine Remote-Benutzeroberfläche wie einen Tablet-Computer oder auf ein anderes computergesteuertes Gerät wie einen Laptop oder ein Smartphone übertragen werden. Die Daten können über Draht- oder drahtlose Kommunikation übertragen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Bluetooth, und/oder können auf Remote-Servern gespeichert oder archiviert werden, z.B. in der Internet-Cloud.
  • 7 zeigt ein beispielhaftes Gehäuse 800 einer Vorrichtung, gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Zum Beispiel kann das Gehäuse die Vorrichtung aus 6 enthalten. In einigen Aspekten kann das Gehäuse 800 einen Deckel 816 (z.B. beweglich über Scharniere, wie gezeigt, oder über einen anderen geeigneten Mechanismus) und eine Türe 820 einschließen, die geöffnet und geschlossen werden kann, um eine Mikrofluidikdisk einzulegen und herauszunehmen. Das Gehäuse kann zusätzliche Komponenten der Vorrichtung enthalten, etwa Heizelemente und/oder Magnete, die ausgebildet sind, um sich an bestimmten Kammern oder Abschnitten der Disk auszurichten, wie weiter oben besprochen wurde.
  • Ein Analysieren einer Probe gemäß der vorliegenden Offenbarung kann das Bestimmen eines Wertes oder eine Reihe von Werten, die mit einer vorgegebenen Probe assoziiert sind, durch eine oder mehrere quantitative und/oder qualitative Messungen einschließen. Zum Beispiel schließt „Analysieren“ gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Messen der Bestandteilexpressionsspiegel in einer von einem Subjekt entnommenen Probe ein, und Vergleichen der Spiegel mit Bestandteilspiegeln in einer Probe oder einem Probensatz von demselben Subjekt (z.B. werden die Proben zu verschiedenen Zeitpunkten entnommen, um die Progression eines potenziellen Gesundheitszustandes zu beurteilen) oder von einem anderen Subjekt oder anderen Subjekten (z.B. zum Vergleich mit einer bestätigten medizinischen Diagnose einer Erkrankung oder Fehlen einer Erkrankung bei einem anderen Subjekt). Die gemäß der vorliegenden Offenbarung erhaltenen Daten können das Vorhandensein oder Fehlen eines spezifischen Biomarkers oder spezifischer Biomarker in der Probe oder das Vorhandensein oder Fehlen der Vielzahl von Biomarkern in der Probe einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Daten die Konzentration einer Vielzahl von Biomarkern in einer Probe und ihr relatives Vorhandensein verglichen mit einem physiologischen Spiegel einschließen, z.B. zur Bestimmung von Überexpression, normaler Expression oder Unterexpression einer Vielzahl von Biomarkern.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Bewerten der Probe eine Analyse der Daten und Ausgabe eines Scores. Ein „Score“ kann einen Wert oder eine Reihe von Werten, die ausgewählt sein können und/oder verwendet werden können für Analyse-, Vergleichs-, Diagnose- und/oder andere Zwecke gemäß der vorliegenden Offenbarung, einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel ein Score verwendet werden, um einen Gesundheitszustand oder einen Krankheitszustand eines Subjekts zu beurteilen, basierend beispielsweise auf einer gemessenen Menge von einem oder mehreren Bestandteilen (z.B. Ziele wie Biomarker) einer Probe, die von dem Subjekt entnommen wurde.
  • Eine Analyse der Daten kann die Verwendung eines Vorhersagemodells einschließen. Ein „Vorhersagemodell“ kann ein mathematisches Konstrukt, das unter Verwendung eines Algorithmus oder einer Kombination von Algorithmen zur Gruppierung von Datensätzen entwickelt wurde, z.B. um eine Unterscheidung der gruppierten Daten zu erlauben, einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein. Ein Vorhersagemodell gemäß der vorliegenden Offenbarung kann entwickelt werden unter Verwendung von geeigneten mathematischen und/oder statistischen Methoden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) und/oder lineare Diskriminanzanalyse (Linear Discriminant Analysis, LDA). In einigen Beispielen schließen die gruppierten Daten Daten für jeden Biomarker eines Biomarker-Panels ein.
  • PCA ist eine Technik, die zur Reduktion von multidimensionalen Datensätzen verwendet werden kann, um die Abmessungen für Analysen zu verringern. Mathematisch kann PCA definiert werden als eine orthogonale lineare Transformation, die Daten in ein neues Koordinatensystem transformiert, so dass die größte Varianz durch eine Projektion der Daten auf der ersten Koordinate zu liegen kommt (die sogenannte erste Hauptkomponente), die zweitgrößte Varianz auf der zweiten Koordinate zu liegen kommt usw. PCA kann als Instrument bei der explorativen Datenanalyse und zur Erstellung von Vorhersagemodellen eingesetzt werden. PCA kann auch eine Berechnung der Eigenwert-Zerlegung einer Daten-Kovarianzmatrix oder einer Einzelwert-Zerlegung einer Datenmatrix einschließen, z.B. nachdem die Daten für jedes Attribut um den Mittelwert zentriert worden sind. Die Ergebnisse einer PCA können in Bezug auf Komponenten-Scores und -Beladungen besprochen werden.
  • LDA ist eine Methode, die verwendet werden kann, um die lineare Kombination von Merkmalen zu finden, die zwei oder mehr Klassen von Objekten oder Ereignissen am besten trennt. Die sich daraus ergebende Kombination kann als linearer Klassifikator oder alternativ dazu zur Dimensionalitätsreduktion vor einer späteren Klassifizierung verwendet werden.
  • Die vorliegende Offenbarung schließt ein Verfahren zum Bewerten einer Probe von einem Subjekt ein, wobei das Verfahren z.B. das Kategorisieren einer humanen Probe unter Verwendung von quantitativen Daten, die mit einer Vielzahl von Biomarkern assoziiert sind, umfasst, wobei die Biomarker mit einer bestimmten Erkrankung oder einem anderen Gesundheitszustand, z.B. Brustkrebs, assoziiert sind. Zum Beispiel kann das Verfahren zur Kategorisierung der Probe Daten verwenden, die mit einer Vielzahl von mit Brustkrebs assoziierten Biomarkern assoziiert sind. In einigen Aspekten, schließt die Vielzahl von mit Brustkrebs assoziierten Biomarkern mindestens CA 15-3 und OPN ein. Zusätzliche Biomarker können z.B. Her-2, MMP-2, VEGF, p53, CA 125, CEA und/oder SER einschließen. Zum Beispiel kann die Vielzahl von Biomarkern CA 15-3, OPN, Her-2 und MMP-2 oder CA 15-3, OPN, Her-2, p53, CA 125, CEA und SER einschließen. In mindestens einer Ausführungsform verwendet das Verfahren zur Kategorisierung einer Probe mit den folgenden Biomarkern assoziierte Daten: CA 15-3, OPN, Her-2 und MMP-2.
  • In einigen beispielhaften Disks der vorliegenden Offenbarung kann ein einzelner Analyt (z.B. ein einzelner Biomarker, der als Teil eines Biomarker-Assays oder - Panels eingefangen und detektiert wurde) in jeder Kanalbahn getestet werden, und jede Reaktionskammer einer Kanalbahn kann dasselbe Reagens oder eine Kombination von Reagenzien enthalten. In einigen Beispielen können mehrere Biomarker in jeder Kanalbahn einer Mikrofluidikdisk gemessen werden, und verschiedene Reagenzien oder Kombinationen von Reagenzien können in jeder Reaktionskammer in der jeweiligen Kanalbahn enthalten sein. Zum Beispiel kann ein Detektionsreagens eine spezifische Fluoreszenzmarkierung aufweisen, und durch Messung der Intensität jedes der spezifischen Markierungen bei unterschiedlichen Wellenlängen für jeden Kanal können mehrere Biomarker pro Kanal gemessen werden.
  • Eine Analyse gemäß einigen Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann das Kategorisieren einer Probe (z.B. Kategorisieren der Biomarkerspiegel einer Probe gemäß einem Biomarker-Panel) in Kategorien gemäß einem Score, der mit dem Vorhersagemodell erzeugt wurde, einschließen. Eine Überexpression von Biomarkern kann im Allgemeinen als ein Anzeichen einer Krankheit verstanden werden. Auf der Basis des Ausmaßes einer Überexpression kann ein geeigneter Score und eine geeignete Kategorie zugeteilt werden. Krankheitskategorien und entsprechende Biomarkerspiegel wurden berichtet. Siehe zum Beispiel US-Offenlegungsschrift 2008/0200342 A1 , die durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist. Kategorien können zum Beispiel eine Kategorisierung gesund (z.B. krankheitsfrei), eine Kategorisierung frühes Krankheitsstadium und eine Kategorisierung spätes Krankheitsstadium einschließen. Zum Beispiel kann die Kategorisierung ausgewählt werden aus einer Kategorisierung gesund, eine Kategorisierung frühes Krankheitsstadium und eine Kategorisierung spätes Krankheitsstadium.
  • Diagnostische Informationen, die gemäß der vorliegenden Offenbarung erhoben werden, können mit Referenzdaten von Biomarkerspiegeln, die für Patienten mit bestätigter Diagnose derselben Krankheit oder Gesundheitserhebung gemessen wurden, verglichen werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Diagnose korrekt ist, kann berechnet werden, z.B. als eine lineare Regression der Daten zur Berechnung von Spezifität und Sensitivität des Panels. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Kategorisierung korrekt ist, kann Modell-abhängig und/oder Biomarker-abhängig sein und kann mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 87%, mindestens 90% oder mindestens 95% korrekt sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Wahrscheinlichkeit, dass die Kategorisierung korrekt ist, mindestens 60%, mindestens 70%, mindestens 80%, mindestens 87%, mindestens 90% oder mindestens 95% betragen. In einem Beispiel kann ein einzelner Biomarker für das Screening von Patienten mit Brustkrebs einen Vorhersagewert von weniger als 70% bereitstellen, während ein Panel von gleichzeitig getesteten Biomarkern einen kombinierten Effekt zur Erhöhung des Vorhersagewerts auf mehr als 90%, z.B. einen Vorhersagewert von 91%, bereitstellen kann.
  • Wie oben erwähnt, wenn sich eine Erkrankung oder ein anderer Gesundheitszustand im Laufe der Zeit entwickelt oder fortschreitet, können einige oder alle Biomarker eines Biomarker-Panels überexprimiert sein und weiter überexprimiert werden. Daher kann ein Messen der Biomarker zu verschiedenen Zeitpunkten (z.B. über Monate und/oder Jahre gemäß dem Stadium oder der Aggressivität der Erkrankung) Informationen im Hinblick auf die Krankheitsprogression bei dem Subjekt bereitstellen. Zum Beispiel können Biomarkerspiegel alle 1, 2, 3 oder 4 Wochen, alle 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12 Monate oder alle 1, 2, 3, 4 oder 5 Jahre gemessen werden. Für jeden Satz von Messungen eines Biomarker-Panels kann ein Score, wie oben besprochen, bestimmt werden. In einigen Aspekten kann ein erster Score (z.B. basierend auf den gemessenen Biomarkerspiegeln in einem Biomarker-Panel zu einem ersten Zeitpunkt) für eine erste Probe, die von einem Subjekt entnommen wurde, mit einem zweiten Score verglichen werden (z.B. basierend auf den gemessenen Spiegeln für das gleiche Biomarker-Panel zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt), der für eine zweite Probe, die vom Subjekt entnommen wurde, ermittelt wurde. Dieser Vergleich kann auch herangezogen werden, um beispielsweise den Fortschritt oder die Wirksamkeit einer Therapie zur Behandlung einer Erkrankung zu bestimmen. Eine Differenz zwischen dem ersten Score und dem zweiten Score kann ein Krankheitsstadium anzeigen, etwa ein Krankheitsstadium von Brustkrebs. In einigen Ausführungsformen kann der Score herangezogen werden, um eine neoplastische Brusterkrankung, wie Brustkrebs, zu diagnostizieren.
  • Die folgenden Beispiele sollen zur Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung dienen, ohne jedoch ihrer Natur nach einschränkend zu sein. Es wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Offenbarung zusätzliche Ausführungsformen umfasst, die mit der vorstehenden Beschreibung und den folgenden Beispielen im Einklang stehen.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1
  • Ein Multiplex-Assay für ein Panel von 5 Biomarkern von Brustkrebs wird unter Verwendung der Mikrofluidikdisk, die in 4 gezeigt wird, wie folgt durchgeführt:
    • (1) Eine Vollblutprobe wird von einem Subjekt mittels Fingerstich oder Venenpunktion entnommen.
    • (2) Ein Tropfen Blut wird in jede Probeneinlasskammer der Disk über eine Einweg-Dosierübertragungspipette eingebracht.
    • (3) Die Disk wird in eine Mikrofluidikvorrichtung, die einen Motor als Stromquelle und einen optischen Detektor enthält, platziert, und der Deckel wird geschlossen. Die Disk wird so positioniert, dass sie an den Motor gekoppelt (der die Rotationsrichtung und -geschwindigkeit der Disk steuert) und über dem Detektor positioniert ist, wobei sich der Detektor zum Rand der Disk hin befindet. Die Vorrichtung schließt ein Programm für die Durchführung eines Brustkrebs-Screeningassays durch Rotation der Disk bei einer Reihe von vorher festgelegten Geschwindigkeiten ein, wie in Schritt (4)-(11) weiter unten beschrieben wird. Das Assay-Programm wird aktiviert.
    • (4) Die Disk wird bei 1000 Umdrehungen pro Minute (U/min) gedreht, um jeden aliquoten Probenanteil aus der Einlasskammer in die Sedimentationskammer zu transferieren.
    • (5) Die Disk wird dann bei 3000 U/min gedreht, um Blutzellen von Plasma in dem Blut abzutrennen, so dass die Blutzellen in der Sedimentationskammer verbleiben, während das Plasma in die Plasmakammer eintritt.
    • (6) Die Disk wird dann bei 250 U/min gedreht, um das Plasma aus der Plasmakammer in individuelle Messkammern (5 µl Plasma in jede Messkammer) in Verbindung mit der Plasmakammer zu entleeren.
    • (7) Die Disk wird dann bei 750 U/min gedreht, um Extraplasma in die Abfallkammer in Verbindung mit den Messkammern zu eliminieren.
    • (8) Die Disk wird dann bei 1000 U/min gedreht, um das Plasma von den Messkammern zu entsprechenden Reaktions-/Inkubationskammern in Verbindung mit den Messkammern zu bewegen. Jede Reaktions-/Inkubationskammer enthält Reagenzien (auf Mikrobeads befestigte Fängerantikörper, Detektionsantikörper und etwaige Zusatzstoffe wie Salze und/oder Puffer zur Kontrolle des pH-Wertes), die spezifisch für einen der Biomarker des Panels zur Prüfung des Biomarkers sind. Die Reagenzien schließen die Mikrobeads (die auf den Fängermolekülen befestigt sind) ein, suspendiert in flüssigem, gelförmigem oder lyophilisiertem Material oder flüssigen, gelförmigen oder lyophilisierten Materialien. Ein einzelner Biomarker wird in jeder Kanalbahn getestet, und jede Reaktionskammer einer Kanalbahn enthält dasselbe Reagens oder dieselbe Kombination von Reagenzien.
    • (9) Die Disk wird bei 300 U/min in einer einzelnen Richtung (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) oder alternierend im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedreht, um die Rekonstitution von Reagenzien und die Reaktionskinetik zwischen den Biomarkern und den Reagenzien zu verbessern.
    • (10) Die Disk wird dann bei 2000 U/min gedreht, um die inkubierte Probe in Separationskammern in Verbindung mit den entsprechenden Reaktions-/Inkubationskammern zu bewegen, wobei die an Mikrobeads gebundenen Biomarker in den entsprechenden Detektionskammern am Rand der Disk Pellets bilden.
    • (11) Während die Disk weiter bei 2000 U/min gedreht wird, wird eine Detektion der Biomarker der Pellets durch den optischen Detektor durchgeführt, der unter der Ebene der Disk in der Nähe der Detektionskammern positioniert ist.
    • (12) Das Rohsignal (Fluoreszenz, Lumineszenz und/oder Absorption) wird aufgezeichnet, amplifiziert und analysiert. Das Signal wird aufgezeichnet und mit jedem Biomarker in Beziehung gesetzt, um die Konzentration jedes Biomarkers in der Originalblutprobe zu ermitteln.
  • Es ist beabsichtigt, dass die Spezifikation und Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei die eigentliche Tragweite und das Wesen der vorliegenden Offenbarung durch die folgenden Ansprüche kenntlich gemacht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/202353 [0002]
    • US 2016/03059 [0015, 0032, 0039, 0045]
    • US 2016/038668 [0015, 0032, 0039, 0045, 0051]
    • US 62157878 [0045]
    • US 62/183294 [0045]
    • US 2008/0200342 A1 [0148]

Claims (30)

  1. Mikrofluidikvorrichtung, umfassend: eine Disk, umfassend mindestens eine Mikrofluidikkanalbahn, der sich radial nach außen von einem Zentrum der Disk erstreckt, wobei die mindestens eine Kanalbahn umfasst: einen Einlass zum Aufnehmen einer Probe; eine erste Kammer, die fluidisch mit dem Einlass verbunden ist; eine zweite Kammer, die fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist, wobei die zweite Kammer radial innerhalb in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist; mindestens eine dritte Kammer, die fluidisch mit der zweiten Kammer über einen Auslasskanal verbunden ist, wobei die mindestens eine dritte Kammer radial außerhalb der zweiten Kammer positioniert ist; und mindestens eine vierte Kammer, die fluidisch mit der mindestens einen dritten Kammer verbunden ist und radial außerhalb der mindestens einen dritten Kammer positioniert ist; wobei mindestens eine der ersten, zweiten, dritten oder vierten Kammern mindestens ein Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, enthält.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer eine Breite aufweist, die geringer ist als eine Breite von entweder der ersten Kammer oder der zweiten Kammer.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zweite Kammer fluidisch mit einer Kompressionskammer verbunden ist, die an einer gleichen oder ähnlichen radialen Position in Bezug zu der zweiten Kammer positioniert ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auslasskanal zwischen der zweiten Kammer und der mindestens einen dritten Kammer gekrümmt ist und eine radiale Einwärtskrümmung und eine radiale Auswärtskrümmung einschließt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Kanalbahn einen Hauptkanal umfasst, der in den Auslasskanal bis zu der mindestens einen dritten Kammer einmündet, wobei der Hauptkanal sich in eine Richtung quer zu einer radialen Richtung der Disk erstreckt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Hauptkanal in Verbindung mit einem Überlaufkanal zur Aufnahme von Fluid ist, das Fluid, das in die mindestens eine dritte Kammer eintritt, übersteigt.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidverbindung zwischen der mindestens eine dritten Kammer und der mindestens einen vierten Kammer ein erstes Ventil einschließt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Kanalbahn ferner mindestens eine fünfte Kammer umfasst, die fluidisch mit der mindestens einen vierten Kammer verbunden ist und radial außerhalb der mindestens einen vierten Kammer positioniert ist, wobei die Fluidverbindung zwischen der vierten und fünften Kammer ein zweites Ventil einschließt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das erste Ventil ausgebildet ist, sich als Reaktion auf einen ersten Kraft-Schwellenwert zu öffnen, und das zweite Ventil ausgebildet ist, sich als Reaktion auf einen zweiten Kraft-Schwellenwert zu öffnen, wobei der zweite Kraft-Schwellenwert größer ist als der erste Kraft-Schwellenwert.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ende des mindestens einen Mikrofluidikkanals, unmittelbar am Rand der Disk, sich verjüngt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend mindestens eine sechste Kammer, die fluidisch mit der mindestens einen vierten Kammer verbunden ist, wobei ein Ende der mindestens einen sechsten Kammer das Ende des mindestens einen Mikrofluidikkanals definiert.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, eine Vielzahl von Molekülen, die auf Mikrobeads befestigt ist, oder eine Vielzahl von Molekülen, die auf einem Abschnitt der Disk befestigt ist, umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei jedes Molekül der Vielzahl von Molekülen ausgebildet ist, einen Analyten, ausgewählt aus einem Oligonukleotid, einem Protein oder einem Kleinmolekül, einzufangen.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, ein Dichtemedium umfasst.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine vierte Kammer eine Vielzahl von vierten Kammern, die parallel zueinander sind, umfasst.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede vierte Kammer in Fluidverbindung mit einer entsprechenden fünften Kammer und einer entsprechenden sechsten Kammer ist.
  17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Disk eine Vielzahl von Kanalbahnen umfasst, wobei jede Kanalbahn sich vom Zentrum der Disk radial nach außen erstreckt und wobei das Zentrum der Disk eine Öffnung einschließt.
  18. Mikrofluidikvorrichtung, umfassend: eine Disk, umfassend mindestens eine Mikrofluidikkanalbahn, der sich radial nach außen von einem Zentrum der Disk erstreckt, wobei die mindestens eine Kanalbahn umfasst: einen Einlass zum Aufnehmen einer Probe; eine erste Kammer, die fluidisch mit dem Einlass verbunden ist; eine zweite Kammer, die fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist, wobei die zweite Kammer radial innerhalb in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist; einen Auslasskanal, der fluidisch mit der zweiten Kammer verbunden ist und sich von der zweiten Kammer zu einem Hauptkanal erstreckt, der sich radial außerhalb der zweiten Kammer befindet; eine Vielzahl von dritten Kammern, die fluidisch mit dem Hauptkanal verbunden ist; eine Vielzahl von vierten Kammern, wobei jede vierte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden dritten Kammer verbunden ist und radial außerhalb davon positioniert ist; und eine Vielzahl von fünften Kammern, wobei jede fünfte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden vierten Kammer verbunden ist und radial außerhalb davon positioniert ist; wobei mindestens eine der ersten, zweiten, dritten, vierten oder fünften Kammern mindestens ein Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, enthält.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei jede fünfte Kammer der Vielzahl von fünften Kammern ein Dichtemedium enthält.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die zweite Kammer fluidisch mit einer Kompressionskammer verbunden ist, die an einer gleichen oder ähnlichen radialen Position in Bezug zu der zweiten Kammer positioniert ist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-20, wobei der Auslasskanal eine radiale Einwärtskrümmung und eine radiale Auswärtskrümmung einschließt.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-21, wobei die Fluidverbindung zwischen jeder dritten Kammer und jeder vierten Kammer ein Berstventil einschließt, das ausgebildet ist, sich als Reaktion auf eine Zentrifugalkraft-Schwelle zu öffnen.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-22, wobei die Disk eine Vielzahl von Kanalbahnen umfasst, wobei jede Kanalbahn sich vom Zentrum der Disk radial nach außen erstreckt und jede Kanalbahn mindestens ein Reagens, mit dem die Disk vorbeladen ist, umfasst, das ausgebildet ist, einen Analyten, der ausgewählt ist aus einem Oligonukleotid, einem Protein oder einem Kleinmolekül, einzufangen.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei jede Kanalbahn eine Vielzahl von auf Mikrobeads befestigten Molekülen oder eine Vielzahl von auf einem Abschnitt der Disk befestigten Molekülen umfasst, wobei die Vielzahl von Molekülen jeder Kanalbahn ausgebildet ist, einen anderen Analyten als die anderen Kanalbahnen einzufangen.
  25. Mikrofluidikvorrichtung, umfassend: eine Disk, umfassend mindestens eine Kanalbahn, die sich in Bezug zu einer zentralen Öffnung der Disk radial nach außen erstreckt, wobei die mindestens eine Kanalbahn umfasst: einen Einlass zum Aufnehmen einer Probe; eine erste Kammer, die fluidisch mit dem Einlass verbunden ist; eine zweite Kammer, die fluidisch mit der ersten Kammer verbunden ist, wobei die zweite Kammer radial innerhalb in Bezug zu der ersten Kammer positioniert ist, wobei die Fluidverbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer eine Breite aufweist, die geringer ist als die Breite von entweder der ersten oder der zweiten Kammer; einen Auslasskanal, der fluidisch mit der zweiten Kammer verbunden ist und sich von der zweiten Kammer zu einem Hauptkanal erstreckt, der sich radial außerhalb der zweiten Kammer befindet, wobei der Hauptkanal in Verbindung mit einem Überlaufkanal zum Aufnehmen von überschüssigem Fluid ist; eine Vielzahl von dritten Kammern, wobei jede dritte Kammer fluidisch mit dem Hauptkanal verbunden ist und sich vom Hauptkanal radial nach außen erstreckt; eine Vielzahl von vierten Kammern, wobei jede vierte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden dritten Kammer verbunden ist, wobei ein Ventil in der Fluidverbindung zwischen jeder vierten Kammer und jeder dritten Kammer positioniert ist und wobei jede vierte Kammer mindestens ein Reagens enthält; eine Vielzahl von fünften Kammern, wobei jede fünfte Kammer fluidisch mit einer entsprechenden vierten Kammer verbunden ist und radial außerhalb davon positioniert ist, wobei jede fünfte Kammer ein Dichtemedium enthält; und eine Vielzahl von sechsten Kammern, wobei jede sechste Kammer fluidisch mit einer entsprechenden fünften Kammer verbunden ist und radial außerhalb davon positioniert ist.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei jede vierte Kammer eine Vielzahl von Molekülen enthält, die auf Mikrobeads befestigt ist, wobei jedes Molekül ausgebildet ist, einen Analyten, ausgewählt aus einem Oligonukleotid, einem Protein oder einem Kleinmolekül, einzufangen.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei jedes Molekül einen Antikörper umfasst, der ausgebildet ist, einen Biomarker einzufangen, der einen Gesundheitszustand anzeigt, der ausgewählt ist aus Krebs, einer Herzkrankheit, einer Atemwegserkrankung, einer neurologischen Erkrankung oder einer Infektionskrankheit.
  28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zur Detektion von mindestens einem Analyten einer Flüssigkeitsprobe eingerichtet ist.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einbringen der Fluidprobe in den Einlass der Disk; Rotieren der Disk, so dass die Fluidprobe durch die mindestens eine Kanalbahn radial nach außen fließt, um sich mit einer Vielzahl von Fängermolekülen, mit denen die Disk vorbeladen ist, zu vereinen; und Detektieren eines Signals von der Disk, das ein Vorhandensein des mindestens einen Analyten anzeigt.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, wobei die Fluidprobe Blut umfasst und der mindestens eine Analyt ein Biomarker ist, der mit einem Gesundheitszustand assoziiert ist.
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