DE60035611T2 - Mikrofluid-analysevorrichtung - Google Patents

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DE60035611T2
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Per Andersson
Arvi Aksberg
Gunnar Ekstrand
Björg BERG
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    • B01L2400/0688—Valves, specific forms thereof surface tension valves, capillary stop, capillary break

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikroanalysevorrichtungen und Verfahren zum Bewegen von Fluiden in solchen Vorrichtungen.
  • Stand der Technik
  • Die Idee ist auf Mikroanalysesysteme anwendbar (jedoch nicht begrenzt), die auf Mikrokanälen basieren, die in einer drehbaren Scheibe, gewöhnlich aus Kunststoff, ausgebildet sind, die häufig "Zentrifugalrotor" oder "Labor auf einem Chip" genannt wird. Solche Scheiben können verwendet werden, um eine Analyse und Trennung an kleinen Mengen von Fluiden durchzuführen. Um Kosten zu verringern, ist es erwünscht, dass die Scheiben nicht auf die Verwendung mit nur einer Art von Reagenz oder Fluid eingeschränkt sein sollten, sondern mit einer Vielfalt von Fluiden arbeiten können sollten. Ferner ist es häufig während der Vorbereitung von Proben erwünscht, dass die Scheibe dem Benutzer ermöglicht, genaue Volumina irgendeiner gewünschten Kombination von Fluiden oder Proben ohne Modifizieren der Scheibe abzugeben. Aufgrund der kleinen Breiten der Mikrokanäle können irgendwelche Luftblasen, die zwischen zwei Proben von Fluiden in den Mikrokanälen vorhanden sind, als Trennbarrieren wirken oder können den Mikrokanal blockieren und können dadurch verhindern, dass ein Fluid in einen Mikrokanal eintritt, in den es eintreten soll. Um dieses Problem zu beseitigen, lehrt das US-Patent Nr. 5 591 643 die Verwendung eines Zentrifugalrotors, der Mikrokanäle aufweist, die Querschnittsflächen besitzen, die ausreichend groß sind, so dass ungewollte Luft aus dem Mikrokanal zur gleichen Zeit, wie das Fluid in den Mikrokanal eintritt, entlüftet werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Struktur für einen Zentrifugalrotor und ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Zentrifugalrotors zu schaffen, wobei die Struktur und das Verfahren den zuverlässigen Transport von Fluiden im Zentrifugalrotor ermöglichen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Struktur für einen Zentrifugalrotor und ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Zentrifugalrotors zu schaffen, wobei die Struktur und das Verfahren die genaue Dosierung von Fluiden im Zentrifugalrotor ermöglichen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung erreicht die Aufgaben der Erfindung mittels einer Struktur mit den Merkmalen von Anspruch 1. Ein Verfahren zur Verwendung einer solchen Struktur, um die Aufgaben der Erfindung zu erreichen, besitzt die Merkmale von Anspruch 5.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die vorliegende Erfindung wird durch ein nicht begrenzendes Beispiel einer Ausführungsform mittels der folgenden Fig. erläutert, wobei:
  • 1a den Umfangsteil eines Zentrifugalrotors mit fünf sich radial erstreckenden Mikrokanalstrukturen K7-K12 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1b eine vergrößerte Ansicht von einer Mikrokanalstruktur von
  • 1a gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 1c eine vergrößerte Ansicht einer ein Probenvolumen definierenden Struktur in der Mikrokanalstruktur von 1b zeigt;
  • 1d eine vergrößerte Ansicht der Kammerfläche plus Kammern für die Entsorgung von Abfallfluiden zeigt, wobei Variationen der Tiefe durch Kreuzschraffierung gezeigt sind;
  • 2a und 2b die Struktur von 1b zeigen, wobei die Kammer ein erstes Fluid enthält;
  • 3a und 3b die Zugabe eines zweiten Fluids zu einer ein Volumen definierenden Kammer zeigen;
  • 4a und 4b den Austausch des ersten Fluids in der Kammer gegen das zweite Fluid zeigen;
  • 5 eine zweite Ausführungsform einer Mikrokanalstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 6 eine dritte Ausführungsform einer Mikrokanalstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 7 eine vierte Ausführungsform einer Mikrokanalstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8 eine fünfte Ausführungsform einer Mikrokanalstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Genaue Beschreibung von Ausführungsformen, die die Erfindung erläutern
  • Die Mikrokanalstrukturen (K7-K12) gemäß der vorliegenden Erfindung sind in 1a–d gezeigt, wobei sie radial auf einer Mikrofluidscheibe (D) angeordnet sind. Geeigneterweise besitzt die Mikrofluidscheibe eine ein- oder zweiteilige geformte Konstruktion und wird aus einem optional transparenten Kunststoff oder Polymermaterial mittels separater Formlinge ausgebildet, die zusammengefügt werden (z. B. durch Erhitzen), um eine geschlossene Struktur mit Öffnungen in definierten Positionen zu schaffen, um das Beladen der Vorrichtung mit Fluiden und die Entfernung von Fluidproben zu ermöglichen. Geeignete Kunststoff- oder Polymermaterialien können so ausgewählt werden, dass sie wasserabweisende Eigenschaften aufweisen. Bevorzugte Kunststoff- oder Polymermaterialien sind aus Polystyrol und Polycarbonat ausgewählt. Alternativ kann die Oberfläche der Mikrokanäle außerdem durch chemische oder physikalische Mittel selektiv modifiziert werden, um die Oberflächeneigenschaften zu verändern, um lokalisierte Bereiche mit Wasserabweisung oder Wasseranziehung innerhalb der Mikrokanäle zu erzeugen, um eine gewünschte Eigenschaft zu verleihen. Bevorzugte Kunststoffe sind aus Polymeren mit einer geladenen Oberfläche, geeignet chemisch oder mit Innenplasma behandeltem Polystyrol, Polycarbonat oder anderen starren, transparenten Polymeren, ausgewählt.
  • Die Mikrokanäle können durch Mikrobearbeitungsverfahren ausgebildet werden, in denen die Mikrokanäle in die Oberfläche der Scheibe mikrobearbeitet werden, und eine Abdeckplatte, beispielsweise ein Kunststofffilm, an die Oberfläche geklebt wird, um die Kanäle einzuschließen. Die Mikrofluidscheibe (D) besitzt eine Dicke, die viel geringer ist als ihr Durchmesser und soll um ein zentrales Loch gedreht werden, so dass eine Zentrifugalkraft bewirkt, dass Fluid, das in den Mikrokanälen in der Scheibe angeordnet ist, in Richtung des äußeren Umfangs der Scheibe strömt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1a–1d gezeigt ist, beginnen die Mikrokanäle an einem gemeinsamen, ringförmigen, inneren Aufbringungskanal (1) und enden in einem gemeinsamen, ringförmigen, äußeren Abfallkanal (2), der zum Kanal (1) im Wesentlichen konzentrisch ist. Es ist auch möglich, individuelle Aufbringungskanäle (Abfallkanäle) für jeden Mikrokanal oder eine Gruppe von Mikrokanälen zu haben. Jede Einlassöffnung (3) der Mikrokanalstrukturen (K7-K12) kann als Aufbringungsbereich für Reagenzien und Proben verwendet werden. Jede Mikrokanalstruktur (K7-K12) ist mit einer Abfallkammer (4) versehen, die in den äußeren Abfallkanal (2) mündet. Jeder Mikrokanal (K7-K12) bildet eine U-förmige, ein Volumen definierende Struktur (7) und eine U-förmige Kammer (10) zwischen seiner Einlassöffnung (3) und der Abfallkammer (4). Die normale gewünschte Strömungsrichtung ist von der Einlassöffnung (3) zur Abfallkammer (4) über die U-förmige, ein Volumen definierende Struktur (7) und die U-förmige Kammer (10). Die Strömung kann durch Kapillarwirkung, Druck und Zentrifugalkraft, d. h. durch Drehen der Scheibe, angetrieben werden. Wie später erläutert, können auch wasserabweisende Abschnitte verwendet werden, um die Strömung zu steuern. Sich radial erstreckende Abfallkanäle (5), die den ringförmigen inneren Kanal (1) direkt mit dem ringförmigen äußeren Abfallkanal (2) verbinden, um ein überschüssiges Fluid zu entfernen, das zum inneren Kanal (1) hinzugefügt wird, sind auch gezeigt.
  • Folglich kann Fluid von der Einlassöffnung (3) über einen Einlassanschluss (6) in eine ein Volumen definierende Struktur (7) und von dort in einen ersten Arm einer U-förmigen Kammer (10) strömen. Die ein Volumen definierende Struktur (7) ist mit einem Abfallauslass zum Entfernen von überschüssigem Fluid, beispielsweise dem sich radial erstreckenden Abfallkanal (8) verbunden, wobei der Abfallkanal (8) vorzugsweise mit dem ringförmigen äußeren Abfallkanal (2) verbunden ist. Der Abfallkanal (3) besitzt vorzugsweise ein Entlüftungsloch (9), das über die obere Oberfläche der Scheibe ins Freie mündet. Das Entlüftungs loch (9) liegt an dem Teil des Abfallkanals (8), der am nächsten zur Mitte der Scheibe liegt, und verhindert, dass Fluid im Abfallkanal (8) in die ein Volumen definierende Struktur (7) zurückgesaugt wird.
  • Die Kammer (10) besitzt einen ersten Einlassarm (10a), der an seinem unteren Ende mit einer Basis (10c) verbunden ist, die auch mit dem unteren Ende eines zweiten Auslassarms (10b) verbunden ist. Die Kammer (10) kann Abschnitte I, II, III, IV aufweisen, die verschiedene Tiefen besitzen, beispielsweise könnte jeder Abschnitt in der Richtung zum Auslassende hin flacher sein als der vorangehende Abschnitt, oder alternativ könnten die Abschnitte I und III flacher sein als die Abschnitte II und IV oder umgekehrt. Ein eingeschränkter Abfallauslass (11), d. h. ein schmaler Abfallkanal, ist zwischen der Kammer (10) und der Abfallkammer (4) vorgesehen. Dies macht den Fluidströmungswiderstand durch die Kammer (10) größer als den Fluidströmungswiderstand durch den Weg, der durch die ein Volumen definierende Struktur (7) und den Abfallkanal (8) verläuft.
  • Aufgrund der relativ großen Breite der Abfallkammer (4) sind die oberen und unteren Oberflächen der Abfallkammer (4) vorzugsweise durch eine oder mehrere Stützen (12) getrennt, um sicherzustellen, dass sich die oberen und unteren Oberflächen der Mikrofluidvorrichtung nicht in Richtung der Abfallkammer (4) nach innen biegen und dadurch ihr Volumen ändern.
  • Wie in 1a–c gezeigt, ist die ein Volumen definierende Struktur (7) U-förmig, wobei der Einlassanschluss (6) in das obere Ende (d. h. das am nächsten zur Mitte der Scheibe liegende Ende) von einem der Arme (7a) des U mündet und der Abfallkanal (8) mit dem oberen Ende des anderen Arms (7b) des U verbunden ist. Das Entlüftungsloch (9) ist auch an der Oberseite dieses anderen Arms (7b) angeordnet. Die Basis (7c) der U-förmigen, ein Volumen definierenden Struktur (7) ist mit dem oberen Ende eines ersten Arms (10a) der Kammer (10) verbunden.
  • Zusätzlich zum Aufbringungsbereich am Einlass (3) der Struktur kann auch ein zusätzlicher Aufbringungsbereich (13) vorhanden sein, der in die obere Oberfläche der Scheibe mündet und mit dem Einlassanschluss (6) verbunden ist. Dieser zusätzliche Aufbringungsbereich (13) kann verwendet werden, wenn es erwünscht ist, verschiedene Reagenzien oder Proben zu jeder der verschiedenen Mikrostrukturen (K7-K12) zuzugeben.
  • Es ist vorzugsweise auch ein Lüftungsloch (14) ins Freie in der Kammer (10) vorhanden. Ein wasserabweisender Abschnitt ist vorzugsweise an der Verbindung (16) der Kammer (10) mit der ein Volumen definierenden Struktur (7) vorgesehen, um Fluid in den Arm (7b) zu führen.
  • Der äußere ringförmige Abfallkanal (2) kann so unterteilt sein, dass Abfall von einer ausgewählten Anzahl von eng angeordneten Mikrokanalstrukturen gesammelt wird.
  • Wasserabweisende Abschnitte können in die Mikrokanalstrukturen (K7-K12) beispielsweise durch Markieren mit einem Overhead-Stift (Permanenttinte) (Snowman pen, Japan) eingeführt werden, und geeignete Stellen für solche Abschnitte (durch Kreuzschraffierung in den Fig. gezeigt) umfassen: (a) zwischen Mikrokanalstruktureinlässen (3) im inneren ringförmigen Aufbringungskanal (1), (b) jede Öffnung (15) in den äußeren ringförmigen Abfallkanal (d. h. die Öffnungen der Abfallkammern) und (c), falls vorhanden, auch die radialen Abfallkanäle (5), die den inneren ringförmigen Aufbringungskanal (1) und den äußeren ringförmigen Abfallkanal (2) verbinden, und auch den Abfallkanal (8), der überschüssiges Fluid von der ein Volumen definierenden Struktur (7) wegführt.
  • Der Zweck der wasserabweisenden Abschnitte besteht darin zu verhindern, dass eine Kapillarwirkung das Fluid in ungewünschte Richtungen saugt. Wasserabweisende Abschnitte können durch Zentrifugalkraft, d. h. durch Drehen der Scheibe mit hoher Drehzahl, überwunden werden.
  • Wenn die zu analysierende Probe in Form von Zellen oder Sedimentmaterial oder Partikeln vorliegt, dann kann sie im unteren U-Kanal durch einen Partikelfilter (21) (durch eine gestrichelte Linie in 1b und 1d gezeigt) gehalten werden oder die Strömung durch die Kammer (10) kann derart gesteuert werden, dass Partikel in der Kammer zurückgehalten werden, während Fluide durch sie strömen – wie später beschrieben wird.
  • Ein erstes Reagenz- oder Probenfluid X kann durch Verbinden einer Quelle (nicht dargestellt) für das Fluid X mit dem gemeinsamen, ringförmigen, inneren Aufbringungskanal (1) in die Kammer (10) eingeleitet werden, von welchem es durch Kapillarwirkung und/oder, wenn die Scheibe gedreht wird, Zentrifugalkraft zur unteren U-Biegung strömt. Wenn das Volumen des Fluids X, das in den gemeinsamen, ringförmigen, inneren Aufbringungskanal (1) eingeleitet wird, im Überschuss liegt (d. h. größer ist als das Volumen der Kammer (10) bis zum Pegel des eingeschränkten Kanals (11) (Abstand L4 in 1d)), dann strömt einiges von ihm über die radialen Abfallkanäle (5 und 8) zum Abfall, während der Rest zur Abfallkammer (4) über die Kammer (10) durch den eingeschränkten Kanal (11) strömt, wie in 2 gezeigt. Dies fährt fort, bis die Pegel des Fluids X sowohl im linken als auch rechten Arm der Kammer (10) dieselben wie der Abstand L4 sind, d. h. die U-förmige Kammer bis zum Pegel des eingeschränkten Kanals (11) voll ist. Dies ist in 2b) gezeigt, in der das überschüssige Fluid X aus der Mikrokanalstruktur über die Abfallkammer (4) und die radialen Abfallkanäle (5 und 8) zum äußeren Abfallkanal (2) oder über den eingeschränkten Kanal (11) geströmt ist.
  • Wenn es Zeit ist, ein neues Reagenz- oder Probenfluid Y zuzugeben, dann wird das Fluid Y durch den gemeinsamen, ringförmigen, inneren Aufbringungskanal (1) (oder alternativ, wie in 3a) gezeigt, durch den zusätzlichen Aufbringungsbereich (13)) zugegeben. Das Fluid Y läuft durch Kapillarwirkung durch die ein Volumen definierende Struktur (7) und die Abfallkanäle (5 und 8) hinab, wie in 3a) gezeigt. Es kann nicht in die Kammer (10) strömen, da das Luftkissen (19), das zwischen der Basis der ein Volumen definierenden Struktur und der Oberseite des Fluids im Arm (7a) der Kammer enthalten ist, als Barriere wirkt, um zu verhindern, dass das Fluid in die Kammer (10) strömt. Es ist zu beachten, dass wahlweise ein Luftkissen (19) zwischen dem ersten Fluid X und dem zweiten Fluid Y belassen werden kann, indem der Abstand L4 von der Basis der U-Biegung in der Kammer (10) zum eingeschränkten Kanal (11) geringer gemacht wird als der Abstand L3 von der Basis der U-Biegung in der Kammer (10) zur Basis der U-Biegung der ein Volumen definierenden Struktur (7). Dies kann verhindern, dass das zweite Fluid Y durch Kapillarwirkung in die Kammer (10) strömt, und kann auch das Mischen der Fluide X und Y verhindern. Das Entlüftungsloch (9), das zum Atmosphärendruck offen ist, macht es leichter, dass das zweite Fluid Y in Richtung des Abfallkanals (2) strömt. Ein sanftes Drehen, d. h. mit niedriger Drehzahl, der Scheibe (D) entleert das über schüssige Fluid Y aus dem Abfallkanal (8), was die ein Volumen definierende Struktur (7) mit Fluid Y voll lässt, wie in 3b) gezeigt.
  • Das ganze erste Fluid X in der Kammer (10) kann durch das zweite Fluid Y verdrängt werden, indem die Scheibe gedreht wird, wenn das Volumen des zweiten Fluids in der ein Volumen definierenden Struktur (7) und irgendeine Luft zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid gleich dem oder größer als das Volumen des ersten Fluids X in der Kammer (10) ist. Dies kann erreicht werden, indem sichergestellt wird, dass das Volumen der ein Volumen definierenden Struktur (7) größer ist als das Volumen der Kammer (10). Dies kann erreicht werden, indem die Arme (7a) und (7b) der ein Volumen definierenden Struktur länger gemacht werden als die Arme der Kammer (10) und/oder indem die Querschnittsfläche der Arme der ein Volumen definierenden Struktur (7) größer gemacht wird als jene der Arme der Kammer (10). 4a) zeigt eine Zwischensituation, in der die Scheibe gedreht wird und die Zentrifugalkraft bewirkt, dass das Fluid Y aus der ein Volumen definierenden Struktur (7) in die Kammer (10) strömt, wodurch das erste Fluid X, das über den eingeschränkten Kanal (11) zum Abfall strömt, verdrängt wird. Irgendein überschüssiges zweites Fluid Y strömt aus der Kammer (10) durch den eingeschränkten Kanal (11) in die Abfallkammer (4). 4b) zeigt, dass das zweite Fluid Y das erste Fluid X ersetzt hat. Dieser Prozess kann unter Verwendung von verschiedenen Fluiden, so häufig wie es erwünscht ist, wiederholt werden.
  • In dem Fall, dass die Fluide Partikel enthalten und es erwünscht ist, sie in der Kammer zu halten, ist es möglich, die Kammer (10) mit einem Partikelfilter (21) mit geeignet bemessenen Öffnungen zu versehen. In dem Fall, dass es erforderlich ist, die Partikel nur vorübergehend in der Kammer (10) zu halten, dann können die Abschnitte I, II, III, IV der Kammer (10), die verschiedene Tiefen aufweisen, verwendet werden, um die Partikel vorübergehend einzufangen. Dies wird durch Erhöhen der Drehzahl der Scheibe durchgeführt, so dass sich die Partikel an der Grenzwand zwischen zwei Abschnitten sammeln, während das Fluid über die Wand strömt.
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung können Partikel selektiv in einer Kammer (10'), die keine Partikelfalle oder Abschnitte mit verschiedenen Tiefen aufweist, wie in 5 gezeigt, gehalten oder aus dieser ausgespült werden. Dies kann folgendermaßen erreicht werden:
    Partikel, die am Boden der Kammer (10') abgelagert oder anderweitig gesammelt wurden, können durch den Meniskus eines Fluids, das aus der Kammer (10') strömt, aus der Kammer (10') gesaugt werden. Mit anderen Worten, wenn ein Luftkissen (19') zwischen der ein Volumen definierenden Struktur und der Kammer (10') vorhanden ist und dieses durch die Kammer getrieben wird, dann werden, wenn der Meniskus zwischen dem Fluid in der Kammer und dem Luftkissen die Partikel leitet, sie durch den Meniskus mitgeführt und strömen aus der Kammer. Dies kann durch Wählen einer geeignet niedrigen Beschleunigungsrate der Scheibe (als "Rampendrehzahl" bekannt) erreicht werden. Wenn es jedoch erwünscht ist, die Partikel in der Kammer zurückzuhalten, dann ist es erforderlich sicherzustellen, dass das Luftkissen nicht durch das Fluid in der ein Volumen definierenden Struktur durch die Kammer (10') getrieben wird, wenn die Scheibe gedreht wird. Wenn eine geeignet hohe Beschleunigungsrate der Scheibe gewählt wird, ist es möglich zu bewirken, dass das Fluid in der ein Volumen definierenden Struktur die Seiten des Kanals hinab, durch das Luftkissen (19') strömt, ohne das Luftkissen (19') zu verdrängen. Typischerweise transportiert eine Rampendrehzahl von bis zu 3500 U/s2 die Partikel im Kanalsystem weiter. Mit einer Rampendrehzahl, die größer ist als 3500 U/s2 tritt die Fluid/Luft-Grenzfläche (Meniskus) nicht in die U-Kammer ein und die Luftblasen bleiben stehen oder bewegen sich in der entgegengesetzten Richtung zur Zentrifugalkraft. Die exakten Rampendrehzahlen zum Erreichen des gewünschten Effekts hängen natürlich von der Art von verwendetem Fluid ab und werden am geeignetsten durch Experimentierung bestimmt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie in 6 gezeigt, ist der Arm (7b') der ein Volumen definierenden Struktur (7') nicht mit einem Abfallkanal (8) verbunden, sondern ist statt dessen an seinem Ende, das am nächsten zur Mitte der Scheibe liegt, vergrößert, um einen Vorratsbehälter (61) für Fluid zu bilden, um zu verhindern, dass Fluid aus einem Entlüftungsloch (9') überläuft. Dieses Entlüftungsloch und/oder der Probeneinlass (9') entlüftet diesen Vorratsbehälter (61) zur Atmosphäre und kann auch ermöglichen, dass Proben in die Struktur eingeleitet werden. Der Vorratsbehälter (61) besitzt vorzugsweise eine Länge, die die Länge der ein Volumen definierenden Struktur, d. h. des Vorratsbehälters (61) und des Arms (7b') gleich der oder größer als die Länge des Arms (7a') macht. Wenn das Entlüftungsloch (9') so klein gemacht wird, dass die Oberflächenspannung des Fluids verhindert, dass es aus dem Entlüftungsloch strömt, wenn die ein Volumen definierende Struktur (7') durch Drehen gefüllt wird, dann wird die Menge an Fluid, das in die ein Volumen definierende Struktur (7') eintreten kann, minimiert und kein Fluid wird verschwendet. Wenn es erwünscht ist, das ganze Fluid in der Kammer (10) gegen Fluid von der ein Volumen definierenden Struktur auszutauschen, dann muss natürlich das Volumen der ein Volumen definierenden Struktur größer sein als das Volumen der Kammer (10). Wenn der Arm (10a) der Kammer so hergestellt ist, dass er sich von seinem oberen Ende zu seinem unteren Ende verbreitert, dann ist es möglich, die Luftbarriere (19) aus der Kammer zu schieben, wenn ein zweites Fluid hinzugefügt wird, ohne dass sich die zwei Fluide mischen.
  • Alle Kammern der vorliegenden Erfindung können mit einem Heizmittel in Form einer Beschichtung versehen sein, wie in 7 kreuzschraffiert gezeigt. Diese Beschichtung (71), die aufgetragen oder gedruckt oder in irgendeiner anderen Weise auf eine oder beide Seiten der Scheibe in der Nähe der Kammer aufgebracht werden kann, kann Energie von elektromagnetischer Strahlung absorbieren, die auf sie gerichtet wird, und dadurch die Kammer aufheizen. Die einfallende Strahlung kann Infrarotlicht, Laserlicht, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht, Mikrowellen oder irgendeine andere geeignete Art von Strahlung sein. Die Aufheizung der Kammer kann verwendet werden, um Reaktionen in der Kammer einzuleiten oder zu beschleunigen. Wenn die Scheibe stationär ist, während die Kammer erhitzt wird, dann erzeugt das Fluid, wenn es siedet, Dampfblasen, die die Arme der Kammer hochlaufen und sogar in den Abfallkanal (8) und die Abfallkammer (4) austreten können. Dies ist nicht immer erwünscht, da es häufig bevorzugt ist, dass im Wesentlichen das ganze Fluid in der Kammer bleiben sollte, nachdem die Erwärmung beendet wurde. Dies kann in der vorliegenden Erfindung durch Drehen der Scheibe zur gleichen Zeit, wie Strahlung auf die Beschichtung (71) einfällt, erreicht werden. Die Strahlungsquellen (nicht dargestellt) können auf Bereiche fokussiert werden, die die Beschichtung durchläuft, wenn sich die Scheibe dreht. Ferner kann die Beschichtung derart bemessen werden, dass Wärme nur auf die kleinste Menge der Basis aufgebracht wird, die mit einer angemessenen Erwärmung der Reagenzien konsistent ist. In dieser Weise werden die Arme des U kühl gehalten und sehen Kondensationsoberflächen vor, auf denen der Fluiddampf kondensiert. Die auf den kondensierten Dampf ausgeübte Zentrifugalkraft bewirkt, dass er in die Basis der Kammer zurückströmt.
  • Es ist zu beachten, dass, obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung eine Kammer besitzen, die zu einer Abfallkammer führt, es natürlich denkbar ist, dass der Kammerauslass zu einer oder mehreren weiteren Kammer(n) führt. Jede weitere Kammer kann mehrere Einlässe und mehrere Auslässe aufweisen, so dass Proben und Reagenzien in einer Kammer kombiniert werden können. Die anschließenden Ergebnisse irgendeines Prozesses, der in einer Kammer stattgefunden hat, können an eine oder mehrere zusätzliche Kammern für die Weiterverarbeitung abgegeben oder zum Abfallkanal geschickt werden. Ein Beispiel dessen ist in 8 gezeigt. 8 zeigt eine Mikrostruktur mit einer zu der in 6 gezeigten ähnlichen Konstruktion, wobei die Basis (110c) der U-förmigen Kammer (110) durch einen Basisauslasskanal (134) mit einer zweiten Kammer (136) verbunden ist, wobei die zweite Kammer (136) von der Mitte der Scheibe weiter entfernt angeordnet ist als die zweite Kammer (110). Die zweite Kammer (136) wird durch ein Entlüftungsloch (138), das an der oberen Oberfläche der Scheibe mündet, an die Atmosphäre entlüftet. Die zweite Kammer (136) ist auch mit einer Einlass/Auslass-Verbindung (140) versehen, die auch an der oberen Oberfläche der Scheibe mündet. Der Einlass/Auslass (140) kann verwendet werden, um Substanzen zur zweiten Kammer (136) z. B. durch Einleiten derselben in die Verbindung (140) zu liefern und/oder um Substanzen aus der zweiten Kammer (136) z. B. durch Aussaugen derselben über die Verbindung (140) zu extrahieren. Es wird durch einen wasserabweisenden Abschnitt (132), der an oder nahe dem Übergang (130) zwischen der Basis (110c) der Kammer (110) und dem Basisauslasskanal (134) angeordnet ist, verhindert, dass Fluid durch Kapillarwirkung von der Kammer (110) in den Basisauslasskanal (134) strömt. Der wasserabweisende Abschnitt (132) ist so bemessen, dass, wenn die Scheibe mit einer gewissen Anzahl von Umdrehungen pro Sekunde gedreht wird, dann irgendein Fluid in der Kammer (110) die Kammer über den Kammerauslassarm (110b) verlässt, und wenn die Scheibe mit einer höheren Anzahl von Umdrehungen pro Minute gedreht wird, dann die auf das Fluid wirkende Zentrifugalkraft ausreicht, um den wasserabweisenden Effekt des wasserabweisenden Abschnitts (132) zu überwinden, und das Fluid in die zweite Kammer (136) strömt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Auslassarm (110b) der Kammer (110) fast so lang wie der Einlassarm (110a). Wenn die Kammer (110) mit einem Fluid gefüllt ist, ist der Pegel des Fluids im Einlassarm (110b) folglich sehr nahe der Basis (107c') der ein Volumen definierenden Struktur (107). Dies bedeutet, dass, wenn ein zweites Fluid zur ein Volumen definierenden Struktur (107') geliefert wird, z. B. über den Einlass (109') im Vorratsbehälter (161), es mit dem ersten Fluid in der Kammer (110) in direkten Kontakt kommt und sich keine Luftblase zwischen den zwei Fluiden bildet. Diese Anordnung kann verwendet werden, um das Mischen von zwei Fluiden zu erleichtern.
  • Die vorstehend erwähnten Beispiele von denkbaren Modifikationen sollen die vorliegende Erfindung erläutern und sollen den durch die folgenden Ansprüche beanspruchten Schutzumfang nicht begrenzen.

Claims (10)

  1. Mikrostruktur für Fluide, die in einer drehbaren Scheibe (D) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine U-förmige, ein Volumen definierende Struktur (7, 107) aufweist, mit: – einem ersten Arm (7a), der an seinem oberen Ende oder in der Nähe seines oberen Endes mit einem Einlassanschluss (6) verbunden ist, wobei das untere Ende des ersten Arms (7a) vom Zentrum der Scheibe (D) weiter als oder ebenso weit wie der Einlassanschluss (6) entfernt ist; – einem zweiten Arm (7b), der an seinem oberen Ende oder in der Nähe seines oberen Endes über einen Fluidvorratsbehälter (61, 161) mit einem ersten Abfallkanal (8) oder Probeneinlass oder Entlüftungsloch (9', 109') verbunden ist, wobei der Abfallkanal (8), falls vorhanden, weiter vom Zentrum der Scheibe (D) als der Einlassanschluss (6) entfernt ist; und – einer Basis (7c), die vom Zentrum der Scheibe (D) weiter als der erste und der zweite Arm (7a, 7b) positioniert ist, wobei die Basis (7c) die unteren Enden des ersten und des zweiten Arms (7a, 7b) verbindet und mit einem Einlassarm (10a, 110a) einer U-förmigen Kammer (10, 110) an dem oberen Ende oder in der Nähe des oberen Endes des Einlassarms (10a) verbunden ist, wobei die U-förmige Kammer (10, 110) ferner umfasst: – eine Basis (10c, 110c) und einen Auslassarm (10b, 110b), wobei die Basis (10c, 110c) das untere Ende des Einlassarms (10a, 110a) mit dem unteren Ende des Auslassarms (10b, 110b) verbindet, der Auslassarm (10b, 110b) an seinem oberen Ende oder in der Nähe seines oberen Endes mit einem zweiten Abfallauslass (11) verbunden ist und die Basis (10c, 110c) vom Zentrum der Scheibe (D) weiter als die unteren Enden des Einlass- und des Auslassarms (10a, 10b; 110a, 110b) der U-förmigen Kammer (10, 110) oder ebenso weit wie diese entfernt ist.
  2. Mikrostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abfallkanal (8) mit einem Entlüftungsloch (9) versehen ist.
  3. Mikrostruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Arm (7b) mit dem Entlüftungsloch oder mit dem Probeneinlass (9', 109') verbunden ist.
  4. Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidströmungswiderstand durch den zweiten Abfallauslass (11) größer als der Fluidströmungswiderstand durch den ersten Abfallkanal (8) ist.
  5. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der ersten U-förmigen, ein Volumen definierenden Struktur (7, 107) größer als die Länge der zweiten U-förmigen Kammerstruktur (10, 110) ist.
  6. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerstruktur (10, 110) wenigstens teilweise durch eine Beschichtung (71) abgedeckt ist, die Energie von elektromagnetischer Strahlung, die auf sie gerichtet ist, absorbieren kann, wodurch die Kammerstruktur (10) aufgeheizt wird.
  7. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammerstruktur (10, 110) Abschnitte I, II, III, IV vorhanden sind, die unterschiedliche Tiefen besitzen und verwendet werden können, um Sedimentmaterial oder andere Partikel einzufangen und freizugeben.
  8. Mikrostruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerstruktur (110) durch ihre Basis (110c) mit einer zweiten Kammer (136), die weiter vom Zentrum der Scheibe (D) als die Kammerstruktur (110) positioniert ist, mittels einer Kammer (134), in der ein wasserabweisender Abschnitt (132) vorhanden ist, der bei dem Übergang oder in der Nähe des Übergangs (130) zwischen der Kammer (110) und dem Kanal (132) positioniert ist, verbunden ist.
  9. Verwendung einer Mikrostruktur in einer rotierenden Scheibe (D) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, um vorgegebene Fluidvolumina an eine Kammer (10, 110) in der drehbaren Scheibe abzugeben.
  10. Verfahren zum Austauschen eines Originalfluids in einer Kammer (10, 110) in einer drehbaren Scheibe (D), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Vorsehen einer Mikrostruktur nach einem der Ansprüche 1–8, die das Originalfluid in der Kammer (10, 110) enthält; – Befüllen der ein Volumen definierenden Struktur (7) mit einem Austauschfluid; und – Drehen der Scheibe (D) mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit, so dass sich das Austauschfluid unter der Zentrifugalkraft in die Kammer bewegt, während gleichzeitig das Originalfluid in der Kammer (10) durch das eintretende Austauschfluid aus der Kammer gezwungen wird.
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