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Mikrofluidikvorrichtungen
und -systeme werden immer weiter verbreitet als Alternativen zu
herkömmlichen
analytischen Werkzeugen in Forschungs- und Entwicklungslaboratorien
sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie eingesetzt. Diese
Akzeptanz wurde durch den raschen Fortschritt in der Technologie
im Laufe der vergangenen paar Jahre vorangetrieben.
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Der
rasche Fortschritt auf diesem Gebiet kann am besten durch einen
Vergleich mit entsprechenden Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikroelektronik
veranschaulicht werden. Auf dem Gebiet der chemischen Analyse, wie
bei der Mikroelektronik, besteht ein wesentlicher Bedarf für die Integration vorhandener
stationärer
Laborinstallationen in tragbare Systeme und somit auch ein Bedarf
an deren Verkleinerung. Eine Übersicht
der jüngsten
Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikrochip-Technologie ist in einer von A. van
den Berg und P. Berveld unter dem Titel „Micro Total Analysis Systems" (Kluwer Academic
Publishers, Niederlande, 1995) herausgegebenen Sammlung relevanter
technischer Literatur zu finden. Der Ausgangspunkt für diese
Entwicklungen war das bereits etablierte Verfahren der „Kapillarelektrophorese". In diesem Zusammenhang
wurden bereits Bemühungen
angestellt, um die Elektrophorese auf einer Planaren Glas-Mikrostruktur
umzusetzen.
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Mikrofluidik-Technologien
haben durch die Einführung
des Agilent 2100 Bioanalysators und der Caliper LabChip® Mikrofluidiksysteme
immer mehr Akzeptanz gefunden. Mit der Entwicklung solcher Produkte
wird es immer wichtiger, dass die Benutzer für ihre Forschungsgelder mehr
Flexibilität
und Wert erhalten, was eine breitere Verwendbarkeit dieser Systeme
zulässt.
Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, diese sowie eine
Vielzahl anderer Bedürfnisse
zu erfüllen.
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In
einem Artikel von Andreas Manz et al., der in der oben erwähnten Sammlung
an relevanter technischer Literatur wiedergegeben wird, sind die
obigen Hintergründe
umfassend beschrieben. Manz et al. haben bereits einen Mikrochip
erzeugt, der aus einem Schichtsystem aus einzelnen Substraten besteht
und durch den auch der dreidimensionale Materialtransport möglich war.
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Anhand
der Herstellung eines Mikro-Laborsystems auf einem Glassubstrat
beschrieb der obige Artikel auch Systeme, die eine Mikrostruktur
auf Siliziumbasis verwendeten. Auf dieser Basis wurden angeblich
integrierte Enzymreaktoren, z.B. für einen Glukosetest, Mikroreaktoren
für Immunoassays
und Miniatur-Reaktionsgefäße für einen
DNA-Schnelltest mittels des Polymerase-Kettenreaktionsverfahrens ausgeführt.
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Ein
Mikrochip-Laborsystem des obigen Typs wurde auch in der US-A-5.858.195
beschrieben, in dem entsprechende Materialien durch ein System von
miteinander verbundenen Leitungen transportiert werden, die auf
einem Mikrochip integriert sind. Der Transport dieser Materialien
innerhalb dieser Leitungen kann in diesem Zusammenhang mittels elektrischen
Feldern, die entlang dieser Transportleitungen verbunden sind, genau
gesteuert werden. Auf Basis der dadurch ermöglichten Hochpräzisionssteuerung des
Materialtransports und der sehr präzisen Vorrichtung zum Messen
der transportierten Materialmengen ist es möglich ein präzises Mischen,
Trennen und/oder chemische oder physiochemische Reaktionen hinsichtlich
der erwünschten
Stöchiometrie durchzuführen. In
diesem Laborsystem weisen die in der integrierten Konstruktion dargestellten
Leitungen auch einen weiten Bereich an Materialspeichern auf, die
die für
die chemische Analyse oder Synthese erforderlichen Materialien enthalten.
Der Transport der Materialien aus den Speichern heraus entlang der Leitungen
wird auch mittels elektrischer Potentialdifferenzen durchgeführt. Entlang
dieser Leitungen transportierte Materialien kommen somit mit verschiedenen
chemischen oder physikalischen Umgebungen in Berührung, die dann die notwendigen
chemischen oder physiochemischen Reaktionen zwischen den jeweiligen
Materialien zulassen. Die beschriebenen Vorrichtungen schließen üblicherweise insbesondere
eine oder mehrere Kreuzungen zwischen den Transportleitungen ein,
an denen eine Vermischung der Materialien stattfindet. Durch das gleichzeitige
Anlegen unterschiedlicher elektrischer Potentiale an verschiedene
Materialspeicher, ist es möglich,
die Volumenströme
der verschiedenen Materialien mittels einer oder mehrerer Kreuzungen
zu steuern. Somit ist eine präzise
stöchiometrische Messung
rein auf Basis des verbundenen elektrischen Potentials möglich.
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Die
WO 99/10735 (Caliper Technologies Corp.) offenbart z.B. ein System
zum Anschließen
einer Mikrofluidikvorrichtung, bei der eine erste Einheit einen
Bereich zum Aufnehmen einer Mikrofluidikvorrichtung aufweist, die
physikalisch von einer zweiten Einheit getrennt ist, die eine Schnittstellenkomponente
zum Anlegen eines Potentials an die Mikrofluidikvorrichtung umfasst.
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Durch
die oben erwähnte
Technologie ist es möglich,
komplette chemische oder biochemische Experimente anhand von für die jeweilige
Anwendung maßgeschneiderten
Mikrochips durchzuführen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es üblicherweise
nützlich,
wenn die Chips im Messsystem leicht ausgetauscht werden können und
die Messstruktur problemlos auf verschiedene Mikrochip-Layouts angepasst
werden kann. Im Zusammenhang mit elektrokinetisch angetriebenen
Anwendungen bezieht sich diese Adaptierung zuerst üblicherweise
auf die jeweilige Anordnung von Speichern und die hohen elektrischen
Spannungen, die für
das Transportieren des Materials auf dem Chip notwendig sind, sowie auf
das entsprechende Anlegen dieser Spannungen an den Mikrochip. Aus
diesem Grund schließt
eine Laborumgebung dieser Art typischerweise das Führen der
Elektroden zu den entsprechenden Kontaktflächen auf dem Mikrochip und
Anordnungen zum Zuführen
der Materialien zu den oben erwähnten Speichern
ein. In diesem Zusammenhang muss besonders beachtet werden, dass
die Mikrochips Abmessungen von lediglich wenigen Millimetern bis
zur Größenordnung
eines Zentimeters aufweisen und daher relativ schwer zu handhaben
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System
zur Analyse oder Synthese von Materialien bereit. Das System umfasst
eine erste physikalische Einheit mit einem Anbringungsbereich zum
Aufnehmen einer Mikrofluidikvorrichtung.
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Zumindest
eine zweite physikalische Einheit ist räumlich von der ersten physikalischen
Einheit getrennt und umfasst ein Materialtransportsystem, das zumindest
eine erste Schnittstellenkomponente einschließt. Die erste physikalische
Einheit und die zweite physikalische Einheit sind in Bezug auf einander ausgerichtet,
wodurch das Materialtransportsystem der Mikrofluidikvorrichtung
durch die erste Schnittstellenkomponente ein Potential bereitstellt,
um Material durch die Mikrofluidikvorrichtung zu transportieren.
Die erste Schnittstellenkomponente ist von der zweiten physikalischen
Einheit abnehmbar.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 veranschaulicht
in Form eines Blockdiagramms schematisch die für ein Labor-Mikrochipsystem notwendigen funktionalen
Komponenten;
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2 veranschaulicht
schematisch einen Labor-Mikrochip zur Verwendung in einem System gemäß der Erfindung;
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3 veranschaulicht
schematisch ein Übersichtsdiagramm
einer ersten beispielhaften Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung;
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4 veranschaulicht
schematisch ein 3 entsprechendes Blockdiagramm
einer zweiten exemplarischen Ausführungsform des Systems gemäß der Erfindung;
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5a – 5d veranschaulichen
schematisch eine Folge von Abbildungen, die die Betriebsweise einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung darstellen, wobei eine Moduleinheit gemäß der Erfindung
als austauschbare Kapsel umgesetzt ist;
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6a und 6b veranschaulichen
schematisch eine Ausführungsform
des Systems gemäß der Erfindung,
in der zwei physikalische Einheiten mittels einer Gelenksverbindung
mit einander verbunden sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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I. Mikrochip-Laborsysteme
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Mikrochip-Laborsysteme,
die in der gesteuerten Umsetzung chemischer, physiochemischer, physikalischer,
biochemischer und/oder biologischer Prozesse verwendet werden. Genauer
gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Mikrochip-Laborsysteme
zur Analyse oder Synthese von Materialien und insbesondere Materialien
auf Fluid-Basis in einer Mikrofluidikvorrichtung oder -struktur
durch elektrische, elektromagnetische oder ähnliche Mittel. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Betreiben und Handhaben eines
Labor-Mikrochips. Im Allgemeinen umfasst die Erfindung ein Mittel
oder einen Bereich zum Anbringen des Mikrochips sowie ein Mittel
oder eine Schnittstelle zum Bereitstellen eines Potentials für den Mikrofluidiktransport
von Materialien auf dem Mikrochip notwendig ist. Der Begriff „Potential" bezieht sich in
seiner Verwendung hierin im Allgemeinen auf ein Energiepotential,
das z.B. durch elektrische Quellen, Druckquellen, Wärmequellen
oder dergleichen zugeführt
werden kann. Der Bereich zum Anbringen des Mikrochips ist üblicherweise
innerhalb der ersten physikalischen Einheit, z.B. einer Basiseinheit,
angeordnet und so konfiguriert, dass die Mikrofluidikvorrichtung
z.B. durch eine Vertiefung, eine Barriere oder Barrieren, Schlitze
oder andere strukturelle Merkmale aufgenommen werden kann, die eine
passende Platzierung und/oder Positionierung der Mikrofluidikvorrichtung
auf dem Anbringungsbereich ermöglichen.
Das zumindest eine Zuführsystem
oder -mittel ist innerhalb einer räumlich getrennten zweiten physikalischen
Einheit, z.B. einer Abdeckeinheit, angeordnet, wodurch die erste
physikalische Einheit und die zumindest eine zweite physikalische
Einheit in Bezug auf einander ausgerichtet sind, so dass sie z.B.
passend zusammengefügt
werden können,
um das Betreiben des Mikrochips zu ermöglichen, indem z.B. das Zuführsystem
an die Mikrofluidikvorrichtung angeschlossen wird. Im Allgemeinen
kann ein Zuführsystem
ein Potential oder Materialien oder eine Kombination aus beiden
zur Mikrofluidikvorrichtung zuführen.
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Die
Betriebskomponenten, die üblicherweise für die hierin
beschriebenen Mikrochipsysteme verwendet werden, sind in 1 schematisch
dargestellt. Diese können
grob in Komponenten, die mit dem Materialtransport oder -fluss 1 in
Zusammenhang stehen, und in Komponenten, die den bei der Durchführung eines
Tests auftretende Informationsfluss 2 repräsentieren,
unterteilt werden. Der Materialfluss 1 schließt üblicherweise
Vorgänge 3 zur
Probenentnahme und Vorgänge 4 zum
Transportieren der Materialien auf den Chip sowie optionale Vorgänge 5 zur
Behandlung oder Vorbehandlung der zu untersuchenden Materialien
ein. Zudem wird üblicherweise
ein Sensorsystem 6 verwendet, um die Ergebnisse eines Tests
zu detektieren und optional die Materialflussvorgänge zu überwachen,
so dass mittels des Steuerungssystems Anpassungen bei der Steuerung
des Materialflusses vorgenommen werden können. Ein Beispiel des Steuerungsmechanismus wird
als Steuerungselektronik 7 dargestellt.
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Die
im Detektionsvorgang 6 und 6' erhaltenen Daten werden üblicherweise
in den Signalverarbeitungsvorgang 8 übertragen, so dass die detektierten
Messergebnisse analysiert werden können. Ein vorrangiges Ziel
bei der Gestaltung solcher Mikrochipsysteme ist die Bereitstellung
von Funktionseinheiten/modulen, die den oben erwähnten Funktionen entsprechen,
und die Einrichtung geeigneter Schnittstellen zwischen den einzelnen
Modulen. Durch eine geeignete Definition dieser Schnittstellen ist
es möglich,
ein hohes Ausmaß an
Flexibilität
bei der Adaptierung der Systeme für verschiedene Mikrochips oder
Experimentanordnungen zu erreichen. Zudem ist es auf Basis einer
solchen rein modularen Systemstruktur möglich, eine höchstmögliche Kompatibilität zwischen
verschiedenen Mikrochips und/oder Mikrochipsystemen zu erzielen.
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Weitere
Anreize für
Verkleinerungen auf dem Gebiet der chemischen Analyse schließen die
Möglichkeit
und den Wunsch ein, die Distanz und die Zeit über die Materialien transportiert
werden zu minimieren. Insbesondere wird die Zeit und die Distanz,
die benötigt
wird, um die Materialien zwischen der Probenentnahme der Materialien
und dem zugehörigen Detektionspunkt
einer beliebigen durchgeführten chemischen
Reaktion zu transportieren, minimiert (2). Weiters
ist es aus dem Gebiet der Flüssigkeitschromatographie
und -elektrophorese bekannt, dass die Trennung von Materialien schneller
durchgeführt
werden kann und die einzelnen Komponenten mit höherer Auflösung getrennt werden können, als
es bei herkömmlichen
Systemen möglich
war. Mikroverkleinerte Laborsysteme können zudem den Materialverbrauch,
insbesondere von Reagenzien, wesentlich reduzieren und die Komponenten
der Materialien weitaus effizienter vermischen.
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Die
vorveröffentliche
internationale Patentanmeldung WO 98/05424 beschreibt eine Anordnung
für die
Handhabung eines Mikrochips, die bereits modular konstruiert ist.
Der Transport von Materialien mittels hoher elektrischer Spannung
stellt nur eine Variante weiterer vorstellbarer Lösungsansätze dar.
Der für
den Transport von Materialien erforderliche Potentialunterschied
kann z.B. auch durch das Anlegen eines unter Druck stehenden Mediums,
idealerweise Druckluft auf die Materialien, oder eines anderen geeigneten
Gasmediums wie z.B. Inertgas, oder durch das Anlegen eines negativen
Drucks oder eines Vakuums erzeugt werden. Zudem können die Materialien
durch das Anwenden eines geeigneten Temperaturprofils transportiert
werden, wobei der Transport durch die Wärmeausdehnung oder -verdichtung
des jeweiligen Materials stattfindet.
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Die
Auswahl des jeweiligen Mediums zum Bereitstellen eines Potentials
oder einer Kraft für
das Transportieren von Materialien auf dem Mikrochip wird daher
in Einklang mit den physikalischen Eigenschaften der Materialien
selbst sowie der Natur der Analyse und/oder Synthese, die durchgeführt werden soll,
erfolgen. Bei Materialien mit geladenen Teilchen, wie z.B. geladene
oder ionisierte Moleküle
oder Ionen, findet der Transport idealerweise durch ein elektrisches
oder elektromagnetisches Feld mit entsprechender Strärke statt,
wie z.B. durch Elektrophorese. Die von den Materialien abgedeckte
Distanz hängt von
der Feldstärke
und der (chronologischen) Zeitdauer des angelegten Felds ab. Bei
Materialien ohne elektrische Ladung wird der Transport idealerweise mittels
eines Strömungsmittels
wie Druckluft oder ein angelegtes Vakuum durchgeführt, obwohl
auch elektrisch angetriebenes Transportieren, z.B. Elektroosmose,
verwendet werden kann.
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Aufgrund
der sehr kleinen Abmessungen der Transportleitungen auf dem Mikrochip
sind beim Transportieren auf Basis von positivem oder negativem
Druck nur relativ kleine Luftvolumina in der Größenordnung von Picolitern erforderlich.
Bei Materialien mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
kann ein thermaler Prozess zum Transportieren der Materialien verwendet
werden, unter der Vorraussetzung, dass der resultierende Temperaturanstieg
vorzugsweise nur einen geringen oder keinen relevanten Einfluss
auf die im jeweiligen Test stattfindende Reaktionskinetik hat.
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Aufgrund
der möglichen
Komplexität
der durchgeführten
Reaktionen kann die Anzahl der notwendigen Kontaktelektroden relativ
hoch sein, z.B. 4, 10, hunderte oder noch mehr. Darüber hinaus
können
die Materialien in den Transportleitungen jeder beliebigen räumlichen
Konfiguration transportiert werden. Für eine weitere Steuerung oder
Einstellung der genauen Strömungsgeschwindigkeiten
der Materialien können
bei hohlen Leitungen flüssige
oder gelartige Puffermittel verwendet werden, die die Strömungsgeschwindigkeiten
durch solche Leitungen, z.B. aufgrund der Viskosität oder eines
erhöhten Strömungswiderstands,
verändern.
Auf Basis des Transports geladener Moleküle durch ein solches Gel ist
es möglich,
die Strömungsgeschwindigkeiten durch
angeschlossene elektrische Felder mit besonders hoher Präzision einzustellen.
Zudem besteht die Möglichkeit,
die für
den Test benötigten
Reagenzien oder die zu untersuchenden Materialien selbst bereits
auf dem Mikrochip angeordnet bereitzustellen.
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Durch
die Verwendung eines Puffergels oder einer Pufferlösung können Gemische
aus geladenen Molekülen
mittels eines elektrischen Felds vorteilhaft durch das Medium transportiert
werden. Für
die präzise
Trennung der Materialien und der entsprechend genau zeitlich geregelten
Einführung
der jeweiligen Materialien können
mehrere elektrische Felder gleichzeitig oder, mit je nach Erfordernis
unterschiedlichen Zeitgradienten, nach einander aktiviert werden.
Dies macht es auch möglich,
komplexe Feldverteilungen für
Felder zu erreichen, die über
das Trennmedium migrieren. Geladene Moleküle, die mit einem höheren Grad
an Mobilität
durch ein Gel migrieren als andere Materialien, können somit
von langsameren Materialien mit geringerer Mobilität getrennt werden.
Hierbei kann die genaue räumliche
und zeitliche Verteilung der Felder durch entsprechende Steuerungs-
oder Computerprogramme erzielt werden.
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Bei
der oben erwähnten
Mikrofluidiktechnologie wird zudem die Verwendung von mikromechanischen
oder mikroelektromechanischen Sensorsystemen, z.B. mikromechanische
Ventile, Motoren oder Pumpen, in Betracht gezogen. Ein entsprechender Überblick über mögliche Zukunftstechnologien
auf diesem Gebiet wird in einem relevanten Artikel von Caliper Technologies
Corp. gegeben, der im Internet unter „www.calipertech.com" abgerufen werden kann.
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Angenommen
diese neue Technologie wird von den entsprechenden Benutzerkreisen
akzeptiert, werden diese Mikrochips rasch als kommerzielle Produkte
sowie als Schnelltests auf dem Gebiet der Labordiagnostik oder der
klinischen Diagnostik verwendet werden. Aus diesem Grund besteht
dringender Bedarf an einer Laboranordnung, um einen solchen Mikrochip
praktisch handhaben und bedienen zu können. Erstens vereinfacht diese
Anordnung die Handhabung der Chips, so dass sie auch in der oben erwähnten Laborumgebung
von eher unerfahrenen Chemie- oder
Biologie-Laboranten mit geringen Komplikationen verwendet werden
können.
Zweitens wird eine entsprechende weitverbreitete Verwendung solcher
Mikrochips sowie eine relativ einfache und schnelle Analyse der
Messergebnisse ermöglicht. Zusätzlich zur
praktischen und unkomplizierten Handhabung der Mikrochips muss der
Benutzer über nicht
mehr als eine minimale Fähigkeit
für das
Betreiben der oben erwähnten
Zuführsysteme,
insbesondere mit Verweis auf jegliche Anforderung einer höheren Spannung
oder jegliche zusätzliche
technische Ausstattung, verfügen.
Ein entsprechendes Test-Layout stellt zudem für das Aufzeichnen der Messergebnisse
geeignete Detektionsvorrichtungen bereit, wie z.B. Vorrichtungen,
die die automatische Detektion der gemessenen Daten sowie die digitale Ausgabe
dieser Daten am Ausgang des Messsystems ermöglichen.
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II. Modulare Konstruktion
von Mikrochip-Laborsystemen
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In
einem System gemäß der Erfindung
werden die oben erwähnten
Zielen für
den Betrieb und die Handhabung eines Labor-Mikrochip, der, wenn
er in der Mikroanalyse und/oder -synthese von Fluidikmaterialien
verwendet wird, hierin als Mikrofluidikvorrichtung bezeichnet wird,
durch Anordnung des ersten Zuführsystems
innerhalb einer Moduleinheit erfüllt,
die trennbar mit der. zweiten physikalischen Einheit verbunden ist.
Die beschriebene modulare Gestaltung ermöglicht daher in erster Linie
ein einfaches Austauschen der erforderlichen Zuführmittel zum Bereitstellen
der notwendigen Potentiale/Kräfte
für den Mikrofluidik-Transport
der Materialien auf dem Mikrochip, wie z.B. elektrische Felder,
und somit insgesamt ein einfaches Einstellen der Vorrichtung auf
verschiedene Arten von Microchips. Die Vorrichtung bietet daher
eine flexible Verwendbarkeit für
unterschiedliche Versuchsanordnungen sowie eine entsprechende Vielzahl
von Mikrochips.
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Die
Moduleinheit ist vorzugsweise als einführbare Kassette oder Kapsel
gestaltet. Die Anordnung als ganzes kann als ein fix installiertes
System oder als ein tragbares System für die mobile Umsetzung eines
Experiments vor Ort, z.B. nahe eines medizinischen Patienten, konfiguriert
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
schließt
die vorgeschlagene Moduleinheit das oben erwähnte erste Zuführsystem,
z.B. ein Transportsystem, ein, wobei die für das jeweilige Experiment
erforderlichen Materialien auch getrennt zum Mikrochip zugeführt werden
können.
Alternativ können
die Materialien auch mittels eines zweiten Zuführsystems und/oder einer Einheit zum
Mikrochip transportiert werden, das vorzugsweise ebenfalls innerhalb
der nahegelegten Moduleinheit angeordnet ist.
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Es
ist zu betonen, dass sowohl das erste als auch das zweite Zuführsystem
elektrische Leitungen und/oder hohle Leitungen beinhalten kann,
durch die das erforderliche Potential und/oder die notwendigen Materialien
zum Mikrochip zugeführt
werden, wobei die eigentlichen Potential- oder Materialquellen mittels
einer weiteren Basiszuführeinheit
(siehe unten) bereitgestellt werden. In manchen Fällen dienen
die Zuführmittel
dazu, Material sowie das erforderliche Potential für die Mikrofluidikvorrichtung
bereitzustellen (siehe wiederum unten).
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Beim
Zuführen
von Materialien durch ein zweites Zuführmittel ist es zudem vorstellbar,
dass das erste und zweite Zuführmittel
gemeinsam Einfüllmittel,
vorzugsweise hohle Leitungen oder hohle Elektroden, aufweisen, um
das oder die für
den Transport der Materialien auf dem Mikrochip benötigten Potentiale
zuzuführen
sowie den Mikrochip mit den für
das Betreiben des Mikrochips notwendigen Materialien zu versorgen.
Diese Materialien können auch
die Proben selbst sein. Dadurch wird eine wesentliche Reduktion
der Anzahl an notwendigen Zuführleitungen
für das
Potential oder die Potentiale, die für den Transport oder die Zufuhr
von Materialien erforderlich sind, ermöglicht, wobei diese sogar um einen
Faktor 2 verringert werden können,
was insbesondere bei Mikrofluidikvorrichtungen von Bedeutung ist,
die bereits mit einer relativ hohen Anzahl an Kontaktelektroden
oder Zugangsöffnungen
sowie Öffnungen
zum Zuführen
von Materialien ausgestattet sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung versteht sich, dass die Moduleinheit,
die eine trennbare Verbindung mit der zweiten physikalischen Einheit
aufweist, über
ein einstückig
ausgebildetes Zuführsystem
für den
Mikrochip, mit einer elektrischen Stromzufuhr, einer Druckgaszufuhr,
einer Temperaturzufuhr etc., verfügen kann. Die in dieser Ausführungsform
vorgeschlagene Moduleinheit weist daher sämtliche für den Betrieb des Mikrochips
notwendigen Zuführelemente/einheiten
auf. Beim Transportieren von Materialien auf dem Mikrochip mittels elektrischer
Kraft kann hierbei eine ebenfalls verkleinerte elektrische Stromzufuhr
eingeschlossen sein, die mit bekannter Mikroelektronik als Hochspannungs-Stromzufuhr
innerhalb einer Moduleinheit wie nahegelegt betrieben werden kann.
Beim Transportieren von Materialien auf dem Mikrochip durch ein Gasmedium
ist optional eine entsprechende Druckgaszufuhr innerhalb der Moduleinheit
bereitgestellt. Aufgrund der relativ geringen Gasvolumina hinsichtlich
der Miniatur-Transportleitungen ist es auch möglich, die Größe der Druckgaszufuhr
und insbesondere des Gasspeichers zu verringern, so dass diese vollständig in
eine entsprechende Moduleinheit integriert werden können. Dasselbe
gilt für
ein Temperaturzuführsystem
zum Wärmeinduzierten
Transport von Materialien.
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In
Einklang mit einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
schließt die
Moduleinheit optional eine Anwendungs-bezogene Basiszuführeinheit
für die
jeweilige Mikrochip/Mikrofluidikvorrichtung ein. In dieser Ausführungsform ist
die Moduleinheit bereits mit sämtlichen
Reagenzien, die für
das Durchführen
des Experiments notwendig sind, sowie mit dem erforderlichen einstückig ausgebildeten
Zuführsystem
für den
Transport der Materialien auf dem Mikrochip ausgestattet, so dass
nur noch die zu untersuchenden Materialien zum Mikrochip zugeführt werden
müssen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sytems gemäß der Erfindung
schließt
die Moduleinheit eine dazwischenliegende Schnittstellenkomponente
ein, um Zuführleitungen
des ersten Zuführsystems
und zugehörige
Zuführleitungen
auf dem Mikrochip zu überbrücken. Der
Vorteil dieser zusätzlichen
modularen Gestaltung liegt insbesondere darin, dass die Zuführleitungen
des ersten Zuführmittels
nicht mehr in direktem Kontakt mit den zugehörigen Leitungen auf dem Mikrochip
sind und somit keiner Verschmutzung und Abnutzung ausgesetzt sind. Der
Grund dafür
liegt darin, dass nur die Leitungen der dazwischenliegenden Schnittstellenkomponente mit
den zugehörigen
Leitungen oder Schnittstellenelementen des Chips in Berührung kommen.
Zudem ermöglicht
die dazwischenliegende Schnittstellenkomponente eine unkomplizierte
räumliche
Anpassung der Zuführleitungen
an unterschiedliche Mikrochip-Layouts.
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Die
dazwischenliegende Schnittstellenkomponente kann trennbar auf/in
der Moduleinheit befestigt sein und ist vorzugsweise durch eine
Bajonettverbindung (Verriegelung) auf/in der Moduleinheit montiert.
Alternativ kann das Befestigen auch durch eine herkömmliche
Montiervorrichtung wie Klemmen, Klammern, Schlitze (z.B. im Handel
erhältliche
Standard-Montageelemente oder Einführvorrichtungen für Kreditkarten,
insbesondere Chipkarten) etc. erfolgen.
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Die
für die
Detektion und Analyse der stattfindenden Reaktionen notwendigen
Informationen, z.B. durch Empfangen und Aufzeichnen eines die Reaktion
an zeigenden detektierbaren Signals, d.h. optische Signale, elektrochemische
Signale etc., können durch
ein Detektions- oder Messsystem detektiert werden, das vorzugsweise
innerhalb der physikalischen Einheit, in der auch der Mikrochip
angebracht ist, angeordnet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine
zusätzliche
Modularität
des Gesamtlayouts. Beispielsweise können die Ergebnisse einer Reaktion
durch ein Laserspektrometer analysiert werden, das in oder auf der
ersten physikalischen Einheit unterhalb des Mikrochips angeordnet
ist. Noch vorteilhafter ist, dass die Analyseeinheit trennbar mit
der ersten physikalischen Einheit verbunden werden kann, um ein
höchstmögliches
Ausmaß an
Flexibilität bei
der Datenanalyse, z.B. durch die Austauschbarkeit des Detektionssystems,
bereitzustellen. Es ist daher z.B. möglich, mehrere Laserspektrometer
bereitzustellen, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche abtasten, oder
es kann z.B. ein Laserspektrometer durch eine komplett andere Art
von Messsystem ersetzt werden.
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Um
die Handhabung des Mikrochips in einem System gemäß der Erfindung
weiter zu vereinfachen, kann die erste physikalische Einheit zudem eine
Montageplatte für
den Mikrochip aufweisen. Die beschriebene Montageplatte ist vorzugsweise
so angeordnet, dass der Mikrochip von oben auf die Platte montiert
werden kann und dadurch das Einpassen des Mikrochips trotz der relativ
kleinen Abmessungen wesentlich vereinfacht werden kann.
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Schließlich kann
als weiterer Schritt in der Modularität des Systems gemäß der Erfindung
eine Basiszuführeinheit
bereitgestellt sein, die eine dritte physikalische Einheit darstellt
und mit der ersten und der zweiten physikalischen Einheit verbunden
ist. Diese physikalische Einheit kann z.B. die Funktion erfüllen, das
gesamte Vorrichtungs/Messsystem mit (hoher) Spannung, Druckgas oder
mit Materialien und/oder Reagenzien für den jeweiligen Test zu versorgen.
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Die
für ein
Labor-Mikrochipsystem des vorliegenden Typs notwendigen funktionalen
Komponenten und dessen funktionales Betreiben während eines Testdurchlaufs
werden in 1 in Diagrammform, wie oben
kurz beschrieben wurde, mit Verweis auf den in 2 veranschaulichten
Mikrochip dargestellt. In dieser Abbildung wird zwischen dem Materialfluss 1,
der in einem solchen System auftritt, d.h. die zu untersuchenden
Materialien und die zugehörigen
verwendeten Reagenzien, und dem Informationsfluss 2, erstens
in Zusammenhang mit dem gesteuerten Transport der einzelnen Materialien
auf dem Mikrochip und zweitens in Zusammenhang mit der Detektion
von Testergebnissen, unterschieden.
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Anfänglich werden,
im Bereich des Materialflusses, die zu untersuchenden Materialien
(möglicherweise
zusätzlich
zu den für
den jeweiligen Test erforderlichen Reagenzien) zum Mikrochip 3 zugeführt. Danach
werden diese Materialien auf dem Mikrochip z.B. durch elektrische
Kraft 4 bewegt oder transportiert. Sowohl das Zuführen als
auch das Bewegen des Materials erfolgt durch eine geeignete elektronische
Steuerung 7, wie durch die punktierte Linie angedeutet
wird. Im vorliegenden Beispiel werden die Materialien einer Vorbehandlung 5 unterzogen,
bevor der Test als solches durchgeführt wird. Diese Vorbehandlung
kann z.B. im Vorheizen mittels eines Heizsystems oder im Vorkühlen mittels
eines geeigneten Kühlsystems
bestehen, um z.B. die erforderlichen thermalen Testbedingungen zu
erfüllen. Wie
bekannt ist, üben
die Temperaturbedingungen zum Durchführen eines chemischen Tests
normalerweise einen beträchtlichen
Einfluss auf den Testkinetikzyklus aus. Wie durch den Pfeil angezeigt
wird, kann diese Vorbehandlung in mehreren Sequenzen erfolgen, in
welchem Fall ein Vorbehandlungszyklus 5 und ein weiterer
Transportzyklus 4' vermieden
werden kann. Die oben erwähnte
Vorbehandlung kann in diesem Fall insbesondere die Funktion des
Trennens des Materials erfüllen,
so dass nur gewisse spezifizierte Komponenten der Ausgangsmaterialien
für den
jeweiligen Test zugänglich
gemacht werden. Im Wesentlichen können die Materialmenge (Quantität) sowie
die Materialgeschwindigkeit (Qualität) durch das Transportsystem,
wie beschrieben, bestimmt werden. Insbesondere ermöglicht die
genaue Einstellung der Materialqualität ein genaues Messen der einzelnen
Materialien und Materialkomponenten. Letztere Prozesse können zudem
vorteilhaft durch die elektronische Steuerung 7 gesteuert
werden.
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Nach
einer oder mehrerer Vorbehandlungen wird der eigentliche Test oder
die Untersuchung durchgeführt,
wobei die Testergebnisse auf einem geeigneten Detek tionspunkt auf
dem Mikrochip 6 detektiert werden können. Die Detektion erfolgt
vorteilhaft durch optische Detektion, z.B. eine Laserdiode in Verbindung
mit einer photoelektrischen Zelle, ein Massenspektrometer, das angeschlossen
sein kann, oder durch elektrische Detektion. Die resultierenden optischen
Messsignale werden dann zu einem Signalverarbeitungssystem 8 und
anschließend
zu einer Analyseeinheit (z.B. ein geeigneter Mikroprozessor) zum
Interpretieren 9 der Messergebnisse zugeführt.
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Nach
der oben erwähnten
Detektion 6 besteht die Möglichkeit, wie durch die punktierte
Linie angezeigt wird, weitere Testreihen oder Analysen oder Materialtrennungen
durchzuführen,
die z.B. in Zusammenhang mit unterschiedlichen Teststufen eines
chemischen Testzyklus stehen, der insgesamt noch komplizierter ist.
Dazu werden die Materialien nach dem ersten Detektionspunkt 6 weiter
zu einem anderen Detektionspunkt 6' transportiert. Dort wird das durch
die Schritte 4' und 6 theoretisch
definierte Verfahren durchgeführt.
Nach Abschluss sämtlicher Reaktionen/Tests
werden die Materialien schließlich durch
einen abschließenden
Transportzyklus oder Sammelzyklus 4''' einem Materialabfluss
zugeführt.
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2 veranschaulicht,
wie oben angedeutet wurde, einen typischen Laborchip, die für die Verwendung
in einem System gemäß der Erfindung
geeignet ist. Anfangs wird der technische Aufbau eines solchen Mikrochips
umfassend beschrieben, da dies eine wichtige Rolle im Bestimmen
der Struktur des Systems gemäß der Erfindung
spielt, das hierin untenstehend erläutert wird. Auf der Oberseite
eines veranschaulichten Substrats 20 sind Mikrofluidikstrukturen
bereitgestellt, durch die Materialien transportiert werden können. Das
Substrat 20 kann z.B. aus Glas oder Silizium bestehen,
und die Strukturen können
folglich durch chemische Ätzverfahren
oder Laser-Ätzverfahren
ausgebildet werden. Alternativ können
solche Substrate auch Polymermaterialien einschließen und
durch bekannte Verfahren wie Spritzgießen, Prägung und Laser-Ablationsverfahren hergestellt
werden. Die Substrate sind üblicherweise mit
zusätzlichen
Substraten überzogen,
um die Leitungen als eingeschlossene Kanäle oder Leitungen abzudichten.
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Um
das zu untersuchende Material (hierin im Nachstehenden als „Probenmaterial" bezeichnet) auf dem
Mikrochip zu prüfen,
sind eine oder mehrere Vertiefungen 21 auf dem Mikrochip
bereitgestellt, um als Speicher für das Probenmaterial zu dienen.
Beim Durchführen
einer Beispielanalyse oder eines Tests wird das Probenmaterial anfangs
entlang eines Transportgrabens oder -kanals 25 auf dem
Mikrochip transportiert. In diesem Beispiel ist der Transportkanal 25 der
Einfachheit halber als V-förmige
Rille dargestellt. Die Kanäle
dieses Mikrofluidiksubstrats umfassen typischerweise abgedichtete
rechteckige (oder im Wesentlichen rechteckige) oder im Querschnitt
kreisförmige
Leitungen oder Kanäle.
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Die
für den
Testzyklus benötigten
Reagenzien sind üblicherweise
in den Vertiefungen 22 aufgenommen, die auch als Reagens-
und/oder Probenmaterialspeicher dienen. Im vorliegenden Beispiel könnten problemlos
zwei unterschiedliche Materialien manipuliert werden. Durch die
entsprechenden Transportleitungen 26 werden diese anfangs
zu einem Kreuzungspunkt 27 zugeführt, wo sie miteinander vermischt
werden und stellen, nachdem eine beliebige chemische Analyse oder
Synthese durchgeführt
worden ist, das verwendungsbereite Produkt dar. An einer weiteren
Kreuzung 28 trifft das Reagens auf das zu untersuchende
Probenmaterial und die beiden Materialien werden ebenfalls vermischt.
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Das
entstandene Material verläuft
dann durch einen Leitungsabschnitt 29, der, wie ersichtlich ist,
eine mäandernde
Form aufweist, die dazu dient, die für die Reaktion zwischen der
Materialprobe und dem Reagens verfügbare Distanz künstlich
zu verlängern.
In einer weiteren als Materialspeicher konfigurierten Vertiefung 23 ist
in diesem Beispiel ein weiteres Reagens enthalten, das an einem
weiteren Kreuzungspunkt 31 zu dem bereits vorhandenen Materialmix
hinzugefügt
wird.
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Die
jeweilige Reaktion findet nach dem oben erwähnten Kreuzungspunkt 31 statt,
wobei die Reaktion anschließend
idealerweise durch kontaktlose Mittel, z.B. optisch, durch einen
Detektor, der hier nicht dargestellt ist, innerhalb eines Bereichs 32 (oder
Messbereich) des Transportgrabens detektiert werden kann. Hierbei
kann der zugehörige
Detektor über-
oder unterhalb des Bereichs 32 angeordnet sein. Nachdem
das Material durch den oben erwähnten
Bereich 32 geflossen ist, wird es zu einer weiteren Vertiefung 24 zugeführt, die
einen Abfallspeicher oder einen Materialabfluss für im Laufe
der Reaktion erzeugte Abfallstoffe darstellt.
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Auf
dem Mikrochip sind schließlich
Vertiefungen 33 bereitgestellt, die als kontaktlose Flächen zum
Anlegen der Elektroden dienen, durch die wiederum die für das Anschließen des
Mikrochips zum Betreiben des Chips notwendigen elektrischen Spannungen,
und selbst hohe Spannungen, erzeugt werden können. Alternativ kann das Kontaktieren
des Chips auch durch das Einführen
eines entsprechenden Elektrodenpunkts direkt in die Vertiefungen 21, 22, 23 und 24,
die als Materialspeicher bereitgestellt sind, erfolgen. Durch eine
geeignete Anordnung der Elektroden 33 entlang der Transportleitungen 25, 26, 29 und 30 und
durch eine entsprechende chronologische oder Intensitäts-bezogene
Harmonisierung der angelegten Felder ist es dann möglich, eine
Situation herzustellen, in der der Transport der einzelnen Materialien
gemäß einem
präzise
festgelegten Zeit/Mengen-Profil erfolgt, so dass es möglich ist, eine
sehr genaue Betrachtung und Einhaltung der Kinetik für den zurgrundeliegenden
Reaktionsprozess zu erzielen.
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Beim
durch Druck angetriebenen Transport der Materialien innerhalb der
Mikrofluidikstruktur ist es üblicherweise
notwendig die Vertiefungen 33 so zu gestalten, dass die
zugehörigen
Druckzufuhrleitungen eng und abdichtend in diese eingreifen, um das
Einführen
eines Druckmittels, z.B. eines Inertgases, in die Transportleitungen
oder das Anlegen eines entsprechenden Negativdrucks zu ermöglichen.
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Der
allgemeinen Aufbau eines Systems gemäß der Erfindung wird nun durch
das in 3 dargestellte Blockdiagramm beschrieben. Hierbei
sind die einzelnen Komponenten des gesamten Systems 40 auf
rein modularer Basis konstruiert, um eine größtmögliche Flexibilität im Betrieb
des Systems zu ermöglichen.
Der Mikrochip 41 ist in einer ersten physikalischen Einheit 42 aufgenommen
und ist vorzugsweise auf einer Montageplatte (in den 4 und 5d veranschaulicht)
angeordnet, so dass der Mikrochip 41 problemlos von oben
zugänglich
ist und seine Installation sowie Entfernung dadurch stark vereinfacht
wird. Darüber
hinaus ist als weiterer Abschnitt der ersten physikalischen Einheit 42 ein
Befestigungselement 43 für eine optische Vorrichtung 43' zum kontaktlosen
Detektieren der Ergebnisse der auf dem Mikrochip 41 durchgeführten Tests,
insbesondere der stattfindenden chemischen Reaktionen, bereitgestellt.
Die optische Messvorrichtung 43' besteht vorzugsweise in einem
Laserspektrometer. Es können
jedoch auch andere Arten von Messsystemen, wie z.B. ein Massenspektrometer
oder ein Infrarotsensorsystem verwendet werden.
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Die
Zuführsysteme,
die die für
den Transport der Materialien auf dem Mikrochip notwendigen Kräfte bereitstellen,
sind in einer zweiten physikalischen Einheit 44 aufgenommen,
die räumlich
von der ersten physikalischen Einheit 42 getrennt ist.
Die Zuführsysteme
sind vorzugsweise in einem Einsatz oder einer Kapsel 44' angeordnet
oder in dieselbe integriert, wobei eine trennbare Verbindung zur
zweiten physikalischen Einheit 44 besteht. Es ist möglich, beim
Transportieren von Materialien durch elektrische Kräfte Zuführsysteme
in Bezug auf eine Stromzufuhr und elektrische Kontakte in Betracht
zu ziehen, die eine leitende Verbindung mit den gegenüberliegenden
Elektroden 33, die eine wie in 2 beschriebene
geeignete Form aufweisen, herstellen, sobald die ersten und zweiten
Module zusammengefügt
werden. In einer dritten physikalischen Einheit 45 können weitere Installationen,
z.B. eine Basis-Stromversorgung oder ein elektronischer Analysator
zum Verarbeiten der Signale/Daten, die durch die Messvorrichtung 43 bereitgestellt
werden, angeordnet sein. Zudem sind die Ausgangsdaten von der Messvorrichtung 43 oder vom
elektronischen Analysator, der in die dritte physikalische Einheit 45 integriert
ist, optional von außen über eine
Analog- oder Digital-Datenverarbeitungsschnittstelle 46 zugänglich.
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Eine
weitere beispielhafte Ausführungsform der
Erfindung wird nun auf Basis der in 4 gezeigten
Darstellung beschrieben, die einen Teil der bereits in 3 veranschaulichten
Komponenten zeigt. Analog zur in 3 dargestellten
Ausführungsform ist
eine erste physikalische Einheit 50 bereitgestellt, die
eine Montageplatte 51 zum Tragen eines Mikrochips 52 umfasst.
In diesem Beispiel umfasst der Mikrochip 52 zwei unterschiedliche
Arten an Verbindungskomponenten. Die erste Art sind Vertiefungen 53,
die einen Zugang für
elektrische Kontakte ausbilden, um die für den Transport der Materialien
auf dem Mikrochip notwendigen Spannungen bereitzustellen. Diese
Vertiefungen 53 können
entweder die Funktion rein mechanischer Zugangspunkte für Elektroden
erfüllen,
oder selbst Elektroden darstellen, wie z.B. durch eine geeignete
Metallbeschichtung der Innenfläche
der Vertiefungen. Zudem können
solche Metall-beschichteten Vertiefungen eine elektrisch leitende
Verbindung mit weiteren Elektrodenflächen darstellen, die auf dem
Mikrochip angeordnet sind, um für
den Transport der Materialien benötigte elektrische Felder bereitzustellen.
Derartige Elektrodenoberflächen
können
auch durch bekannte Beschichtungsverfahren hergestellt werden.
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Als
eine zweite Art von Verbindungskomponenten auf dem Mikrochip können Vertiefungen 54 zum
Halten/Ablagern von Materialien, d.h. von Reagenzien, bereitgestellt
sein. Wiederum in Einklang mit der in 4 veranschaulichten
Ausführungsform ist
eine zweite physikalische Einheit 55 bereitgestellt, die
für den
Betrieb des Mikrochips notwendige Zuführsysteme 56 beinhaltet.
Vorzugsweise stellen die Zuführsysteme 56 ein
Mikrosystem dar, das durch entsprechende Verkleinerung der notwendigen
Komponenten den erforderlichen elektrischen Strom für den benötigten Gasdruck über zugehörige Elektroden 58 (oder
Leitungen 58 im Falle eines Druckzufuhrsystems) und auch
in Form einer Kapsel bereitstellt, die in das Modul 55 eingeführt ist.
Im Falle einer elektrischen Versorgung des Mikrochips kann die Verkleinerung
der elektrischen Spannungszufuhr und des Schaltkreises durch herkömmliche
Verbundtechnologie erzielt werden. Ähnlich kann das Zuführen von
Druck zu den Kanälen
eines Mikrochips durch Verwendung entsprechender Technologien, die
aus dem Gebiet der Labortechnologie oder Mikromechanik bereits bekannt
sind, erfolgen. Hierbei ist es auch möglich, Zuführbehälter für das Druckgasmedium zu integrieren,
da sich, wie bereits erwähnt
wurde, die notwendigen Gasvolumina nur im Bereich von Picolitern
bewegen.
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In
dieser Ausführungsform
umfasst die zweite physikalische Einheit 55 zudem eine
dazwischenliegende Schnittstellenkomponente 57, die eine trennbare
Verbindung mit dem Zuführsystem 56 aufweist,
die als austauschbare Schnittstellenanordnung dient, wie dargestellt
ist. Die dazwischenliegende Schnittstellenkomponente stellt eine
elektrische Verbindung 60 (oder Verbindungsleitungen) bereit, durch
die die Elektroden 58 (oder Leitungen) des Zuführsystems 56 und
die entsprechend angeordneten gegenüberliegenden Elektroden 53 des
Mikrochips überbrückt werden
können.
Dementsprechend können
Verbindungsleitungen 61 als Brückenleitungen zum Zuführen von
Fluids oder anderen Materialien verwendet werden. In diesem Fall
sind Dichtungselemente (nicht dargestellt) zwischen den Leitungen 59 und 61 erforderlich.
Einerseits wird durch das oben erwähnte Überbrücken das Abnutzen oder Beschmutzen
der Elektroden (oder Leitungen) des Zuführsystems 56 verhindert,
was bei der Berührung
mit dem Mikrochip unweigerlich auftreten könnte, indem die Zwischenkomponente
oder der Träger
(die der Verschmutzung oder Abnutzung ausgesetzt wären) in
Form eines „Wegwerfprodukts" ausgebildet sind. Zudem
können,
wie in dieser Ausführungsform
veranschaulicht wird, die Zwischenkomponente oder der Träger auch
die Funktion des Bereitstellens einer räumlichen Anpassung der Elektroden
des Zuführsystems 56 an
die zugehörige
Oberfläche
oder räumliche
Anordnung der Mikrochip-Elektrodenflächen erfüllen. Dies stellt eine vorteilhafte
Möglichkeit
dar, um die gesamte Mess/Betriebsanordnung an ein spezielles Mikrochip-Layout
anzupassen, indem lediglich die Kapsel 56 und/oder die
dazwischenliegenden Schnittstellenkomponente 57 ersetzt
werden. Insbesondere das Ersetzen der Kapsel ermöglicht eine einfache und schnelle
Anpassung der Vorrichtung an verschiedene Test- oder Betriebsarten,
wie z.B. der Wechsel zwischen elektrischer Versorgung und Druckgasversorgung
des Mikrochips oder die elektrische Versorgung von Mikrochips mit
unterschiedlichen Schnittstellengestaltungen, z.B. Speichermuster.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Moduleinheit gemäß der Erfindung als austauschbare
Kapsel ausgebildet ist, ist in den 5a – 5d dargestellt.
Insbesondere ist eine Folge von Abbildungen veranschaulicht, auf
deren Basis ein typischer Betriebszyklus des vorgeschlagenen Systems
gezeigt wird. In den Figuren sind ähnlich Komponenten mit gemeinsamen
Bezugszeichen gekennzeichnet. 5a veranschaulicht
eine Kapsel 70, die in ein Zuführsystem (hierin nicht detailliert
dargestellt) für
einen Mikrochip integriert ist. Die Zuführleitungen des Zuführsystems
werden durch eine geeignete Kontaktelektrodenanordnung 71 nach
außen geführt, wobei
die Elektrodenanordnung im gezeigten Ausführungsbeispiel als austauschbare
Kontaktplatte 71 ausgebildet ist, die z.B. aus Keramik-
oder Polymermaterialien, wie z.B. Teflon oder Polyimid bestehen
kann. Unter Verwendung eines internen Basis-Zuführsystems für das gesamte Handhabungssystem
(hierin ebenfalls nicht dargestellt) ist die Kapsel über Steckanschlüsse 72 angeschlossen,
die mit im zweiten Modul angeordneten entsprechenden gegenüberliegenden
Komponenten normal zusammenwirken und die jeweiligen Kontaktverbindungen
aktivieren, wenn die Kapsel in das Modul gesteckt wird.
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Dementsprechend
wird das In-Berührung-Bringen
des Zuführsystems
mit den zugehörigen
Kontakten auf dem Mikrochip mittels einer dazwischenliegenden Schnittstellenkomponente 73 durchgeführt, die
im hier gezeigten Beispiel die Kontaktelektroden ohne Veränderung
ihrer räumlichen
Anordnung in Bezug auf den Mikrochip überbrückt. Die wichtigsten Vorteile
dieser dazwischenliegenden Schnittstellenkomponente 73 wurden
bereits beschrieben. Die dazwischenliegende Schnittstellenkomponente
besitzt durch einen Bajonettverbindungselement 74, 75 eine
trennbare Verbindung zur Kapsel. Aus diesem Grund ist auf der Kapsel 70 ein entsprechendes
Bajonettgewinde 75 bereitgestellt, um in das Bajonett 74 einzugreifen.
Die Bajonettverbindung 74, 75 ermöglicht ein
rasches, unkompliziertes Austauschen der dazwischenliegenden Schnittstellenkomponente 73,
die dadurch als Ersatzteil oder Wegwerfprodukt verwendet werden
kann und z.B. zwischen jedem Testzyklus ausgetauscht und/oder gereinigt
werden kann.
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Die 5b und 5c veranschaulichen einzelne
Montageschritte, um die dazwischenliegende Schnittstellenkomponente 73 in
eine Kapsel 70 einzupassen. Gemäß 5b wird
die dazwischenliegende Schnittstellenkomponente 73 anfänglich in
der für
die Montage notwendigen Position in eine Kapsel 70 eingeführt und
dann – wie
in 5c ersichtlich ist – durch die Bajonettverbindung 74, 75 auf
oder in der Kapsel 70 befestigt. Hierbei greift ein im
Bajonett 74 ausgebildeter kreisförmiger Abschnitt 76 in
den zugehörigen
Bajonettgewindeteil 75 ein. 5b und 5c veranschaulichen
einen weiteren Vorteil der von der Erfindung nahegelegten Kapsel
(Moduleinheit), nämlich dass
die dazwischenliegende Schnittstellenkomponente 73 nach
dem Entferner der Kapsel 70 aus der zweiten physikalischen
Einheit einfach wieder in die Kapsel 70 eingepasst werden
kann.
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Abschließend veranschaulicht 5d,
wie eine entsprechend vorgefertigte Kapsel in ein Anlagengehäuse (Instrumentengehäuse) 77 eingebracht werden
kann, das sämtliche
Module enthält.
Im veranschaulichten Ausführungsgehäuse wird
die Kapsel 70 in eine in der zweiten physikalischen Einheit 78 ausgebildeten
Schlitz eingeführt.
Es sind jedoch auch andere Befestigungsmittel vorstellbar, wie z.B. eine
Schnappverbindung oder eine magnetische Verbindung. Durch Herunterklappen
der zweiten physikalischen Einheit 78 wird diese mit der
ersten physikalischen Einheit 79 in Kontakt gebracht, die
die Funktion eines vorher installierten, hier dargestellten Mikrochips
erfüllt,
und somit werden die für
den Betrieb des Mikrochips erforderlichen Kontaktverbindungen automatisch
hergestellt. Im vorliegenden Beispiel ist der Mikrochip in ein Chipgehäuse oder eine
Chiphalterung 84 integriert, die Zugangsöffnungen 85 für die jeweiligen
Kontakte oder Einführöffnungen
auf dem Mikrochip bereitstellt, der unterhalb dieser Öffnungen
angeordnet ist. Die dargestellte Anordnung des Mikrochips in einem
Chipgehäuse 84 stellt
eine weitere Vereinfachung der Handhabung und insbesondere des Einpassens
des Mikrochips und somit des Betriebs des durch die Erfindung nahegelegten
Systems insgesamt dar.
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Die 6a und 6b zeigen
eine Darstellung einer Ausführungsform
eines Gehäuses 77 in Übereinstimmung
mit 5, in dem zwei physikalische Einheiten 78, 79 gemäß der Erfindung
durch ein Drehgelenk (Gelenkverbindung) 80 miteinander
verbunden sind. Hierbei ist das Drehgelenk vorteilhaft räumlich so
angeordnet, dass die im Zuführsystem 81 bereitgestellten
Kontaktstifte 83 nicht durch die im Mikrochip 82 bereitgestellten
Vertiefungen verschoben werden, wenn dieser in die eingeführt wird,
was schlimmsten Falls zu einer nicht erwünschten Beschädigung der
Kontaktstifte 83 oder sogar zu einer Beschädigung des
Mikrochips führen
würde.