EP1397483A1 - Micro fluid system - Google Patents

Micro fluid system

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EP1397483A1
EP1397483A1 EP03718772A EP03718772A EP1397483A1 EP 1397483 A1 EP1397483 A1 EP 1397483A1 EP 03718772 A EP03718772 A EP 03718772A EP 03718772 A EP03718772 A EP 03718772A EP 1397483 A1 EP1397483 A1 EP 1397483A1
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EP
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reservoir
channel
reservoirs
liquid
substrate
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EP03718772A
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EP1397483B1 (en
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Johan-Valentin Kahl
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Ibidi GmbH
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Ibidi GmbH
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Publication date
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Priority claimed from DE2002124725 external-priority patent/DE10224725A1/en
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    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B01L2200/0668Trapping microscopic beads
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/0403Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0457Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces passive flow or gravitation
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    • B01L2400/0487Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0605Valves, specific forms thereof check valves

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs.
  • the pumps can be installed in or on the microfluidic system.
  • pumps have many disadvantages.
  • the microfluid system can only be used in connection with an external energy source and must be permanently connected to it. (A power cord is required for an integrated pump, and tubing is required for an external pump).
  • the object of the invention is to provide a microfluidic system with which liquids can be transported in a simple manner and without the microfluidic system requiring an external connection.
  • microfluid system is a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, the mouth of at least one channel above the base area of a reservoir is arranged.
  • a microfluid system liquids can be transported in a simple manner by tilting the microfluid system to one side, as a result of which a liquid flows from a reservoir (a higher reservoir) through a channel connected to it into a reservoir arranged at the other end of the channel.
  • the mouth of the channel arranged above the base of a reservoir has various advantages. If a liquid flows through this mouth into a reservoir, this prevents the liquid from flowing back into the channel.
  • the liquid can only flow out of the reservoir when the microfluidic system is sufficiently inclined so that the liquid can penetrate into the channel , In this way it can also be achieved that only a predetermined amount of liquid flows from a filled reservoir into a channel.
  • the microfluid system according to the invention can comprise a plurality of channels and / or reservoirs.
  • Several channels can open into a reservoir.
  • different channels open into a reservoir at different heights.
  • Several reservoirs can be filled with different liquids.
  • the channels can preferably cross and / or divide. In this way, different liquids can flow into the same channel from different reservoirs, possibly depending on the inclination.
  • the reservoirs and channels can advantageously also be arranged in such a way that a closed liquid circuit is thereby formed.
  • the base area of at least one reservoir can be inclined relative to a reservoir side wall. This means that the angle between the base and the side wall is not equal to ⁇ / 2.
  • the microfluidic system can be closed off and comprise a device for pressure equalization, which connects each reservoir to at least one other reservoir. An airtight seal in particular can thus be made possible. Locking the microfluidic system prevents the liquid or liquids from coming into contact with the outside world.
  • the device for pressure compensation can be designed in the form of channels integrated into the substrate, which open into the reservoirs in such a way that no liquid can penetrate and thus only serve for gas or pressure compensation.
  • the device can preferably also be designed in the form of lines which connect the reservoirs but are not integrated into the substrate.
  • the reservoirs can be closed with gas-permeable lids, so that the pressure is equalized with the surroundings.
  • At least one reservoir can be closed with a lid, the lid having a filter.
  • a filter enables gas exchange with the environment or with another, connected reservoir without pollutants entering the reservoir or being able to escape from the reservoir.
  • At least one channel can have a charged surface, colloids, microfilters and / or a device for preventing backflow.
  • the electrostatic force increases with the charge of the organelle or the molecule. If, for example, the salt concentration in the sewer is increased, the length of the bye and the zeta potential decrease (Gouy-Chapmann theory).
  • the less strongly charged organelles / molecules detach and can be removed by flow, for example.
  • the highly charged organelles / molecules stick. In this way, organelles / molecules can be separated according to their charge.
  • DNA molecules can be purified if they form the most charged molecule and therefore remain the longest (with increasing ionic strength).
  • the DNA can then be analyzed using known methods. Colloids of various sizes can be introduced into the channels.
  • Microfilters can be used to filter out certain substances.
  • the colloids can be used in conjunction with microfilters.
  • the colloids can also be fixed by tapering a channel; the channel can be conical, for example.
  • the colloids can e.g. can be fixed in the channel by membranes with a defined pore size or microfilter. It is also possible to arrange colloids of different sizes one after the other.
  • the device for preventing backflow enables corresponding channels to be used only for liquid transport in one channel direction.
  • the device for preventing backflow can preferably be designed as a check valve.
  • At least one channel and / or a reservoir can have at least one analysis substance.
  • an analysis substance can already be introduced into a channel during the manufacture of the microfluid system, so that later preparation of the microfluid system is simplified.
  • the channel and / or the reservoir can preferably have an analysis substance in a shell, which dissolves only after a predetermined time or at predetermined environmental parameters.
  • At least one further channel can be provided in a microfluid system, which has a charged surface, solids, in particular colloids, microfilters and / or a device for preventing backflow.
  • the different properties mean that different channels can perform different functions, for example when analyzing cells and / or cell compartments.
  • these can have optically highly transparent regions and or optical components integrated into the substrate. This allows cells and / or cell compartments in the channels to be examined optically.
  • the optically highly transparent areas or the integrated optical components can have a protective film. Such a film can prevent the areas or components from being scratched. The protective film can be removed before using the microfluid system.
  • a system for transporting liquids in a microfluid system comprising a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated in the substrate, which connects two reservoirs, and a device for pivoting the microfluid system about at least one axis in at least two directions.
  • the microfluid system can advantageously be one of the microfluid systems described above.
  • Swiveling is understood to mean rotating through an angle between 0 and 2 ⁇ .
  • the microfluidic system can be pivoted about an axis in two directions and / or about several axes in one direction.
  • the microfluidic system can be periodically pivoted back and forth about an axis.
  • the flow rate can be adjusted by the inclination of the substrate. In this way, liquids can be transported in the microfluid system due to gravitational force.
  • the pivoting device is advantageously designed such that the microfluidic system can be pivoted about several axes. These pivots about different axes can in particular overlap; this can create a kind of tumbling movement of the microfluid system.
  • a swiveling movement by an angle of less than 2 ⁇ around a first axis can be superimposed with a complete circular rotation about a second axis.
  • the centrifugal force with which the liquids are acted on can also be used for the liquid transport.
  • the swiveling movement allows liquids to flow through the same channel from different directions, depending on the inclination of the wearer. This is not possible when using a rotating base, in which the liquids are only moved by the centrifugal force.
  • a chronological sequence of the flow direction and flow speed is also easy and precise to set. This is particularly advantageous when several liquids are brought together in a controlled manner.
  • the device for pivoting can, for example, comprise hydraulic devices with which the device is moved.
  • the device for pivoting can preferably have a device for fixing the microfluid system. This means that microfluidic systems are always arranged in the same place on the device. If the device thus performs certain pivoting movements automatically, examinations can be repeated with high accuracy.
  • a system for transporting liquids in a microfluid system comprising a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, a first reservoir having a volume, and one at the first reservoir arranged device to pressurize the volume.
  • the microfluid system is preferably one of the microfluid systems described above.
  • the device for pressurizing can be designed as an elastic membrane, which is arranged in the form of a cover on the rese ⁇ / oir.
  • the volume of the reservoir is pressurized by mechanical pressure on the membrane. The pressure can be applied, for example, by hand or using a microphone.
  • the device for pressurizing can comprise a print cartridge or print cartridge.
  • the device for pressurizing can have a device for heating and / or cooling the volume.
  • a device for heating or cooling a gas in the volume By heating or cooling a gas in the volume, the gas expands or contracts, so that the volume has a positive or negative pressure is applied.
  • the microfluidic systems can have a plurality of channels and / or reservoirs. Several channels can open into a reservoir. The channels can also cross and / or split.
  • the two previously described systems for transporting liquids can be combined with one another in a microfluid system.
  • the invention also provides a method for growing and / or analyzing cells, comprising the steps of: providing a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate that connects two reservoirs, introducing at least one cell into at least one a channel, filling at least one reservoir with a liquid, and transporting the liquid through a channel connected to the filled reservoir by pivoting the microfluidic system about at least one axis in at least two directions.
  • the microfluid system can be pivoted about an axis in two directions and / or about several axes in one direction.
  • the microfluid system provided can preferably be one of the microfluid systems described above.
  • cells can be grown in a microfluid system, for example, the nutrient medium supply and the product disposal being integrated into the microfluid system.
  • liquid can flow through the channel from a respectively higher reservoir to a lower reservoir.
  • the geometries of the channel and the reservoir can be coordinated so that there is significantly more liquid in the reservoirs than in the channel (typically a factor of 10-200). If toxic substances are formed in the channel or if the concentration of the gas dissolved in the liquid changes in the channel, this liquid can be directed into one of the reservoirs by tilting the carrier. Due to the large amount of liquid in the reservoir in relation to the channel, a corresponding dilution takes place there. Repeated seesaws guarantee the accumulation of toxic substances and the supply of nutrient media in the sewer. This allows cells to be kept alive in a channel system over a long period of time.
  • a method for growing and / or analyzing cells comprising the steps of: providing a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated in the substrate, which connects two reservoirs, introducing at least one cell into at least one channel Filling at least one reservoir with a liquid, and transporting the liquid through a channel connected to the filled reservoir by applying pressure to the liquid.
  • the microfluid system provided can preferably be one of the microfluid systems described above.
  • the filling of the reservoir also includes a filling with a gas.
  • a gas This ensures that a certain concentration of a certain gas or a gas mixture is present in solution in the liquid.
  • the concentration of the gas in the liquid can be determined by the length of time the liquid remains in the reservoir become. A constant supply of dissolved gases in the liquid can be guaranteed by connecting the reservoirs with the corresponding gas.
  • a device for pressurizing By filling a reservoir, which is provided with a device for pressurizing, it can be achieved that there is a gas volume in particular above the liquid.
  • the device for pressurizing does not come into contact with the liquid and the pressurizing of the liquid takes place indirectly via the gas volume.
  • a reservoir is filled with solids, in particular with colloids, and another reservoir with a liquid for functionalizing the solids.
  • the reservoirs filled in this way can be filled with liquid.
  • the solids or parts of the solids located in the reservoirs can thus dissolve in the liquid.
  • the liquid with the dissolved substances can be led into a selected channel. This can e.g. serve to supply cells with nutrient medium in a chronologically defined sequence. The effect of various substances on cells can also be demonstrated in this way.
  • An advantageous method for the detection of molecules can comprise the steps: molecules in a first liquid can functionalize the surface of a colloid. Molecules of a second liquid bind to the functional groups on the colloid surface. A third liquid contains molecules which detach special components of the attached and / or functional group with attached molecule. In each of these sub-steps, certain reactions can be demonstrated.
  • the methods can preferably be used to separate and / or identify cell organelles (for example cell nucleus or mitochondria) or cell molecules (DNA, proteins). To do this, the cells in the substrate / channel are destroyed. This can be done, for example, by osmotic pressure, shear forces, compressed air, or special solvents. These methods are particularly easy to use in a microfluid system.
  • the cell components released in this way can be filtered out, chemically bound, separated in the gel, electrophoretically moved and / or separated, immobilized or fixed on charged surfaces become. The components required for this can be introduced into the microfluid system or can be filled into the channel.
  • the methods can be used in particular for the following analysis methods: in-situ hybridization, FISH (fluorescence in situ hybridization) and CGH (comparative genomic hybridization).
  • the above-described methods can be used to separate and analyze organelles and / or molecules in a microfluidic system with channels, reservoirs and the described components in a completely automated manner.
  • all of the methods described above can be carried out in such a way that the microfluid system is a self-sufficient system due to the pivoting movements. This can be achieved by using the designs shown above. This ensures long-term supply to the cells. This enables an "instant test" on a cell basis.
  • the carrier is preferably initially closed by a pull-off cover. This is opened in use so that the test can be carried out. This enables a storable test with living cells.
  • these comprise the further step: fluorescence analysis of the cells and / or cell compartments.
  • fluorescence analysis of the cells and / or cell compartments.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a microfluidic system with a channel and two reservoirs
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a mirofluid system with a device for pressure equalization between two reservoirs
  • Fig. 3 shows a cross-sectional view of a channel with colloids arranged therein
  • Fig. 4 is a cross-sectional view of a microfluidic system with two reservoirs with channel openings at different heights.
  • FIG. 1 shows a microfluidic system with a substrate 1, two reservoirs 2 and 3 and a channel 4 integrated into the substrate 1.
  • the orifices 5 and 6 of the channel 4 are arranged above base areas 7 and 8 of the reservoirs 2 and 3, respectively.
  • Hollow cylinders 9 and 10 are formed on the base 7 and 8 within the reservoirs 2 and 3, through which the channel 4 is guided.
  • the hollow cylinders 9 and 10 are arranged directly along the reservoir side walls 13 and 14 and merge into them.
  • the orifices 5 and 6 are arranged at different heights, as seen from the base 7 and 8, so that, depending on the reservoir, a different angle of inclination of the microfluid system is required so that a liquid flows into the channel 4.
  • the mouth-side surfaces 11 and 12 of the hollow cylinders 9 and 10 are chamfered so that the liquid does not splash upwards when flowing out of the mouth but flows to the side.
  • FIG. 2a shows a microfluid system, with cells 15 being arranged in the channel 4.
  • the liquid reservoirs 2 and 3 each comprise liquid volumes 16 and 17 and - arranged above them - gas volumes 18 and 19.
  • the liquid is a nutrient medium.
  • Reservoirs 2 and 3 are hermetically sealed by covers 20 and 21.
  • the reservoirs 2 and 3 are connected to each other by the cover via a gas channel 22, which enables gas exchange and thus pressure equalization.
  • Toxic substances 23 arise during the cultivation of the cells 15.
  • the microfluidic system is swiveled to one side in order to dilute or remove the toxic substances from the cells and at the same time to supply nutrient medium.
  • a microfluid system inclined in this way can be seen in FIG. 2b. Due to the inclination, liquid flows from the reservoir 2 into the lower reservoir 3. The toxic substances 23 are removed from the cells 15 and diluted in the reservoir 3; In addition, fresh nutrient medium is fed from the reservoir 2 to the cells. The gas from the reduced gas volume 19 flows through the gas channel 22 into the reservoir 2, whereby pressure equalization is created.
  • the channel system can be closed off with a movable membrane.
  • This membrane can be placed in a cover, for example his. Pressing this membrane creates an overpressure on the corresponding side in the channel system and the liquid is moved in the channel.
  • the pressure can be applied manually as well as transmitted via a microphone.
  • certain oscillation frequencies or superimpositions of oscillation frequencies of the pressure difference in the channel can be created. This can be used to determine the adhesive forces of particles, such as cells, on the inner walls of the channel system.
  • the mixture of two substances can also be accelerated or the targeted transport of liquids can be carried out. This is particularly easy to implement in small channels.
  • the microphone is attached directly above the carrier. In this way, a targeted movement of the liquid in the carrier can take place without a connection system.
  • the liquid can also be transported through the channel by applying an overpressure on at least one side of the channel.
  • the duct system is provided with individual plugs and / or a plug strip. These plugs can be connected to, for example, pressure cartridges via a hose system.
  • a valve is advantageously attached between the print cartridge and the channel system. Opening the valve creates an overpressure in the duct system.
  • the valve is advantageously an automatically controllable valve, for example a piezo valve.
  • a liquid can also be transported from a reservoir or channel simultaneously into several channels connected to it by pressurizing the reservoir or the channel.
  • the most important advantages of such a design are, on the one hand, that there are no movable and therefore fault-prone components in the analyzer apart from the valve, and on the other hand that the sample substance only comes into contact with the carrier (reduction of the risk of contamination). Since only extremely low pressures (mm-cm water column) have to be used, the service life of a print cartridge used in this way is very long. In a further development, it is possible to use a pressure reducer between the print cartridge and the carrier system. This is advantageously also electrically controlled. The position of the sample substance can be determined by measuring the pressure applied. In a typical analysis protocol, the sample substance is first inserted into the carrier in this embodiment. filled and then the sample holder connected to the connections via which the overpressure can be applied.
  • FIG. 3 Various colloid arrangements in a channel 4 are shown in FIG. 3.
  • the channel comprises colloids 24, which are fixed by a microfilter 25.
  • the channel 4 tapers in the direction of flow. Large colloids 24 accumulate before the narrowing. Smaller colloids 26 are then arranged behind them, as a result of which a colloid barrier is formed from colloids of different sizes.
  • the colloid barrier in FIG. 3 c only comprises large colloids 24, which are fixed before a narrowing.
  • Substances are used in almost all analytical or diagnostic tests, with the help of which the ones to be analyzed. Substances are characterized, purified, duplicated, detected and / or neutralized / killed, among other things. Examples are buffers, passivation buffers, fluorescent molecules, radioactive molecules, marker molecules, proteins or whole cells.
  • substances which are required for the analysis of the sample are already in the channel system (analysis substances). These can be solid, liquid or gaseous.
  • the analysis substances can be dried in the sewer system.
  • the analysis substances can be located directly in a channel or in a reservoir which is connected to the channel. A water-soluble barrier layer can be located between the reservoir and the channel.
  • analysis substances can only act in the reaction and / or analysis area of the channel system after a certain time.
  • the analysis substances can also be enclosed in shells which only dissolve after a certain time or with certain parameters (e.g. pH value, pks value) (as with certain medications). In this way, analysis processes can be carried out in a certain chronological order without external control, such as a solvent exchange.
  • the carriers or microfluidic systems can be delivered with the already integrated substances.
  • FIG. 4a shows a cross section of a microfluid system with a substrate 1, in which two reservoirs 27 and 28 are arranged one above the other.
  • the reservoirs can be accessible from the side in that a further channel (not shown) opens into the side of each reservoir.
  • the bases of the reservoirs are inclined relative to the side surface, the angle of inclination being different. If the microfluidic idsystem pivoted by a first, smaller angle (Fig. 4b), only liquid in the lower reservoir 27 reaches the channel mouth and flows into the channel. At a greater angle of inclination of the microfluid system (FIG. 4c), the liquid from the second reservoir 28 reaches the channel mouth and can flow through this channel.

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Abstract

The invention relates to a micro fluid system comprising a substrate, at least two reservoirs and at least one channel which is integrated into the substrate connecting the two reservoirs, the outlet of at least one channel being arranged above the base surface of one reservoir.

Description

Mikrofluidsystem Microfluidic system
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet.The invention relates to a microfluidic system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs.
Viele biologischen/chemischen Analysen werden mittels (mikro)-fluidischer Komponenten durchgeführt. Diese zeichnen sich durch einfache oder vernetzte Kanalsysteme aus. Um die Flüssigkeiten durch solche Kanäle zu leiten, werden Pumpen verwendet. Dies ist besonders dann nötig, wenn viel Flüssigkeit durch ein Kanalsystem geführt werden soll, oder wenn ein und dieselbe Flüssigkeit wiederholt durch das Kanalsystem geleitet werden soll.Many biological / chemical analyzes are carried out using (micro) -fluid components. These are characterized by simple or networked duct systems. Pumps are used to conduct the liquids through such channels. This is particularly necessary if a lot of liquid is to be passed through a channel system or if one and the same liquid is to be repeatedly passed through the channel system.
Die Pumpen können im oder am mikrofluidischen System angebracht sein. Pumpen haben jedoch viele Nachteile. So kann das Mikrofluidsystem nur in Verbindung mit einer externen Energiequelle verwendet werden und muss an dieses fest angeschlossen werden. (Bei einer integrierten Pumpe ist ein Stromkabel erforderlich, bei einer externen Pumpe muss das System mit Schläuchen verbunden werden).The pumps can be installed in or on the microfluidic system. However, pumps have many disadvantages. For example, the microfluid system can only be used in connection with an external energy source and must be permanently connected to it. (A power cord is required for an integrated pump, and tubing is required for an external pump).
Kommen Komponenten der Pumpe in Kontakt mit der Probenlösung, kann es zu chemisch nicht erwünschten Reaktionen kommen. Durch Verwendung von Pumpen besteht ein großes Totvolumen, welches insbesondere beim Austausch von Lösungen zu Problemen bei der Verwendung von wenig Probenmaterial führt. Viele Pumpen pulsieren, was zu starken Druckschwankungen im Kanal führt. Dies kann zu Beschädigungen gerade bei kleinen Kanälen führen. Auch führen selbst kleine Pumpen zu großen Strömungsgeschwindigkeiten in einem verhältnismäßig kleinen Kanalsystem. Dadurch können an der Kanaloberfläche fixierte Moleküle oder Zellen abgelöst oder beschädigt werden.If components of the pump come into contact with the sample solution, chemically undesirable reactions can occur. By using pumps there is a large dead volume, which leads to problems when using little sample material, especially when exchanging solutions. Many pumps pulsate, which leads to strong pressure fluctuations in the channel. This can lead to damage, especially with small ducts. Even small pumps lead to high flow rates in a relatively small duct system. This can detach or damage molecules or cells attached to the channel surface.
Der kontinuierliche oder zyklische Lösungswechsel in einem Kanalsystem ist für viele Anwendungen von Mikrofluidsystemen jedoch von entscheidender Bedeutung. Ein Beispiel ist die Kultivierung von Zellen in einem Mikrokanal. Wachsen diese, so bilden sie toxische Stoffe, welche zu einem Absterben der Zellen führen. In engen Kanälen wird durch die geometrische Anordnung die Diffusion stark eingeschränkt, so dass die Konzentration der toxischen Stoffe im Bereich des Kanals schnell ansteigt. Findet kein Austausch der Lösung statt, ist ein zum Kanalinneren hin stark nachlassendes Zellwachstum zu beobachten. Eine konstante Versorgung mit Nährmedium und Entsorgung von toxischen Stoffen kann nur durch einen zeitlich regulierten Lösungswechsel in dem Kanal erfolgen. Pumpen haben dabei oft die oben beschriebenen Nachteile.However, the continuous or cyclical change of solution in a channel system is of crucial importance for many applications of microfluidic systems. One example is the cultivation of cells in a microchannel. If these grow, they form toxic substances that cause the cells to die. In narrow channels, the geometric arrangement severely limits diffusion, so that the concentration of toxic substances in the area of the channel increases quickly. If the solution is not exchanged, cell growth can be observed to slow sharply towards the interior of the channel. A constant supply of nutrient medium and disposal of toxic substances can only be achieved through a time-controlled change of solution in the sewer. Pumps often have the disadvantages described above.
Aus den oben genannten Gründen ist es auch nicht möglich, Zellen in einem abgeschlossenen Systerrf zu transportieren oder über einen längeren Zeitraum, unter Beibehaltung ihres Stoffwechsels, zu lagern.For the reasons mentioned above, it is also not possible to transport cells in a closed system or to store them for a longer period while maintaining their metabolism.
Eine weitere Anwendung von Pumpen ist das Aufreinigen von Flüssigkeiten. Hierzu gibt es unterschiedliche Methoden. Wichtig ist bei allen, dass erstens ein definierter Volumenstrom angelegt werden kann und zweitens den Reaktionspartnern (den in Lösung und der im Träger befindlichen Substanzen) bestimmten Reaktionszeiten zur Verfügung gestellt werden.Another application of pumps is the purification of liquids. There are different methods for this. It is important for everyone that, firstly, a defined volume flow can be created and secondly, certain reaction times are made available to the reaction partners (the substances in the solution and the substances in the carrier).
Eine weitere Anwendung ist der Nachweis von bestimmten Substanzen in einem Kanalsystem, bei denen es erforderlich ist, bestimmte Flüssigkeiten nacheinander durch denselben Kanal laufen zu lassen. Auch hier sind Flussraten und Reaktionszeiten einzuhalten. Pumpen müssten dabei extrem exakt arbeiten und über eine spezielle Elektronik gesteuert werden.Another application is the detection of certain substances in a channel system, in which it is necessary to let certain liquids run through the same channel in succession. Flow rates and response times must also be observed here. Pumps would have to work extremely precisely and be controlled by special electronics.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mikrofluidsystem bereitzustellen, mit dem in einfacher Weise Flüssigkeiten transportiert werden können und ohne dass das Mikrofluidsystem einen externen Anschluss benötigt.The object of the invention is to provide a microfluidic system with which liquids can be transported in a simple manner and without the microfluidic system requiring an external connection.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Mikrofluidsystem nach Anspruch 1. Dabei handelt es sich um ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, wobei die Mündung wenigstens eines Kanals oberhalb der Grundfläche eines Reservoirs angeordnet ist. Mit einem solchen Mikrofluidsystem können in einfacher Weise Flüssigkeiten transportiert werden, indem das Mikrofluidsystem nach einer Seite geneigt wird, wodurch eine Flüssigkeit von einem Reservoir (einem höher gelegenen Reservoir) durch einen damit verbundenen Kanal in ein am anderen Ende des Kanals angeordnetes Reservoir fließt. Die oberhalb der Grundfläche eines Reservoirs angeordnete Mündung des Kanals hat verschiedene Vorteile. Wenn eine Flüssigkeit durch diese Mündung in ein Reservoir fließt, wird dadurch verhindert, dass die Flüssigkeit wieder in den Kanal zurückfließen kann. Befindet sich die Flüssigkeit in einem Reservoir, in das ein Kanal mit einer oberhalb der Grundfläche angeordneten Mündung mündet, so kann fließt die Flüssigkeit erst dann aus dem Reservoir, wenn eine ausreichende Neigung des Mikrofluidsystems erreicht ist, so dass die Flüssigkeit in den Kanal eindringen kann. Auf diese Weise kann auch erreicht werden, dass nur eine vorherbestimmte Flüssigkeitsmenge aus einem befüllten Reservoir in einen Kanal fließt.This object is achieved by the microfluid system according to claim 1. It is a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, the mouth of at least one channel above the base area of a reservoir is arranged. With such a microfluid system, liquids can be transported in a simple manner by tilting the microfluid system to one side, as a result of which a liquid flows from a reservoir (a higher reservoir) through a channel connected to it into a reservoir arranged at the other end of the channel. The mouth of the channel arranged above the base of a reservoir has various advantages. If a liquid flows through this mouth into a reservoir, this prevents the liquid from flowing back into the channel. If the liquid is in a reservoir into which a channel opens with a mouth arranged above the base area, the liquid can only flow out of the reservoir when the microfluidic system is sufficiently inclined so that the liquid can penetrate into the channel , In this way it can also be achieved that only a predetermined amount of liquid flows from a filled reservoir into a channel.
Das erfindungsgemäße Mikrofluidsystem kann eine Mehrzahl von Kanälen und/oder Reservoiren umfassen. Dabei können mehrere Kanäle in ein Reservoir münden. Vorteilhafterweise münden verschiedene Kanäle auf verschiedenen Höhen in ein Reservoir. Es können mehrere Reservoire mit unterschiedlichen Flüssigkeiten befüllt sein. Die Kanäle können sich vorzugsweise kreuzen und/oder teilen. Auf diese Weise können aus verschiedenen Reservoiren, ggf. je nach Neigung, verschiedene Flüssigkeiten in denselben Kanal fließen. Die Reservoire und Kanäle können vorteilhafterweise auch derart angeordnet sein, dass dadurch ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf gebildet wird. Durch unterschiedliches Neigen des Mikrofluidsystems in verschiedene Richtungen, beispielsweise, kann eine Flüssigkeit, ausgehend von einem ersten Reservoir, abwechselnd durch Kanäle und Reservoire fließen, bis sie wieder im Ausgangsreservoir ankommt.The microfluid system according to the invention can comprise a plurality of channels and / or reservoirs. Several channels can open into a reservoir. Advantageously, different channels open into a reservoir at different heights. Several reservoirs can be filled with different liquids. The channels can preferably cross and / or divide. In this way, different liquids can flow into the same channel from different reservoirs, possibly depending on the inclination. The reservoirs and channels can advantageously also be arranged in such a way that a closed liquid circuit is thereby formed. By tilting the microfluid system differently in different directions, for example, a liquid, starting from a first reservoir, can alternately flow through channels and reservoirs until it arrives again in the exit reservoir.
In einer bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann die Grundfläche wenigstens eines Reservoirs relativ zu einer Reservoirseitenwand geneigt sein. Dies bedeutet, dass der Winkel zwischen der Grundfläche und der Seitenwand ungleich π/2 ist. Mit einer derart geeignet gewählten Reservoirgeometrie kann weiter eingestellt werden, bei welchem Neigungswinkel des Mikrofluidsystems eine Flüssigkeit aus einem Reservoir in einen Kanal fließt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Mikrofluidsystem abgeschlossen sein und eine Vorrichtung zum Druckausgleich umfassen, die jedes Reservoir mit wenigstens einem anderen Reservoir verbindet. Damit kann insbesondere ein luftdichtes Abschließen ermöglicht werden. Durch das Abschließen des Mikrofluidsystems wird verhindert, dass die Flüssigkeit bzw. die Flüssigkeiten mit der Außenwelt in Kontakt kommen. Die Vorrichtung zum Druckausgleich kann in Form von in das Substrat integrierten Kanälen ausgebildet sein, die derart in die Reservoire münden, dass keine Flüssigkeit eindringen kann und sie somit nur dem Gas- bzw. Druckausgleich dienen. Die Vorrichtung kann vorzugsweise auch in Form von Leitungen ausgebildet sein, die die Reservoire verbinden, aber nicht in das Substrat integriert sind.In a preferred development of all the microfluid systems described above, the base area of at least one reservoir can be inclined relative to a reservoir side wall. This means that the angle between the base and the side wall is not equal to π / 2. With a suitably chosen reservoir geometry, it is further possible to set at which angle of inclination of the microfluid system a liquid flows from a reservoir into a channel. According to an advantageous development, the microfluidic system can be closed off and comprise a device for pressure equalization, which connects each reservoir to at least one other reservoir. An airtight seal in particular can thus be made possible. Locking the microfluidic system prevents the liquid or liquids from coming into contact with the outside world. The device for pressure compensation can be designed in the form of channels integrated into the substrate, which open into the reservoirs in such a way that no liquid can penetrate and thus only serve for gas or pressure compensation. The device can preferably also be designed in the form of lines which connect the reservoirs but are not integrated into the substrate.
Gemäß einer vorteilhaften Alternative können die Reservoire mit gasdurchlässigen Deckeln abgeschlossen sein, so dass der Druckausgleich mit der Umgebung erfolgt.According to an advantageous alternative, the reservoirs can be closed with gas-permeable lids, so that the pressure is equalized with the surroundings.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann wenigstens ein Reservoir mit einem Deckel verschlossen sein, wobei der Deckel einen Filter aufweist. Durch einen solchen Filter kann ein Gasaustausch mit der Umgebung oder mit einem anderen, verbundenen Reservoir ermöglicht werden, ohne dass Schadstoffe in das Reservoir eindringen oder aus dem Reservoir entweichen können.According to an advantageous development of all the microfluid systems described above, at least one reservoir can be closed with a lid, the lid having a filter. Such a filter enables gas exchange with the environment or with another, connected reservoir without pollutants entering the reservoir or being able to escape from the reservoir.
In einer bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann wenigstens ein Kanal eine geladene Oberfläche, Kolloide, Mikrofilter und/oder eine Einrichtung zur Rückflussverhinderung aufweisen.In a preferred development of all the microfluid systems described above, at least one channel can have a charged surface, colloids, microfilters and / or a device for preventing backflow.
Ist die Oberfläche z. B. positiv geladen, haften negativ geladene Organellen oder Moleküle an ihr. Die elektrostatische Kraft steigt mit der Ladung der Organelle oder des Moleküls an. Wird beispielsweise die Salzkonzentration im Kanal erhöht, sinkt die De- bye-Länge sowie das Zetapotential ab (Gouy-Chapmann Theorie). Die weniger stark geladenen Organellen/Moleküle lösen sich ab und können z.B. durch Fluss abtransportiert werden. Die stark geladenen Organellen/Moleküle bleiben haften. So können Organellen/Moleküle nach ihrer Ladung getrennt werden. Somit können z.B. DNA- Moleküle aufgereinigt werden, wenn diese das am stärksten geladene Molekül bilden und deswegen am längsten (bei steigender lonenstärke) haften bleiben. Die DNA kann daraufhin mit bekannten Methoden analysiert werden. In die Kanälen können Kolloide verschiedener Größe eingebracht sein. Diese können verschiedene Aufgaben erfüllen: das Aufreinigen von Flüssigkeiten; die Herausfilterung bestimmter Substanzen aus Flüssigkeiten; die Einbringung bestimmter Substanzen in Flüssigkeiten; das Einbringen bestimmter Substanzen bei Vorhandensein spezifischer Stoffe in der Flüssigkeit. Dabei kann ausgenutzt werden, dass Flüssigkeiten von verschiedenen Richtungen durch die Kolloidbarriere fließen können. Insbesondere können Kolloide mit einer funktionalisierten Oberfläche verwendet werden.Is the surface z. B. positively charged, negatively charged organelles or molecules adhere to it. The electrostatic force increases with the charge of the organelle or the molecule. If, for example, the salt concentration in the sewer is increased, the length of the bye and the zeta potential decrease (Gouy-Chapmann theory). The less strongly charged organelles / molecules detach and can be removed by flow, for example. The highly charged organelles / molecules stick. In this way, organelles / molecules can be separated according to their charge. Thus, for example, DNA molecules can be purified if they form the most charged molecule and therefore remain the longest (with increasing ionic strength). The DNA can then be analyzed using known methods. Colloids of various sizes can be introduced into the channels. These can perform various tasks: purifying liquids; filtering out certain substances from liquids; the introduction of certain substances into liquids; the introduction of certain substances in the presence of specific substances in the liquid. It can be exploited that liquids can flow through the colloid barrier from different directions. In particular, colloids with a functionalized surface can be used.
Mikrofilter können dazu dienen, bestimmte Stoffe herauszufiltern. In einer bevorzugten Weiterbildung können die Kolloide in Verbindung mit Mikrofiltem verwendet werden. Die Kolloide können auch durch eine Verjüngung eines Kanals in diesem fixiert werden; der Kanal kann bspw. konisch ausgebildet sein. Die Kolloide können z.B. durch Membranen mit einer definierten Porengröße oder Mikrofilter in dem Kanal fixiert werden. Es ist auch möglich, verschieden große Kolloide hintereinander anzuordnen.Microfilters can be used to filter out certain substances. In a preferred development, the colloids can be used in conjunction with microfilters. The colloids can also be fixed by tapering a channel; the channel can be conical, for example. The colloids can e.g. can be fixed in the channel by membranes with a defined pore size or microfilter. It is also possible to arrange colloids of different sizes one after the other.
Durch die Einrichtung zur Rückflussverhinderung wird ermöglicht, dass entsprechende Kanäle nur zum Flüssigkeitstransport in einer Kanalrichtung verwendet werden. Die Einrichtung zur Rückflussverhinderung kann vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildet sein.The device for preventing backflow enables corresponding channels to be used only for liquid transport in one channel direction. The device for preventing backflow can preferably be designed as a check valve.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann wenigstens ein Kanal und/oder ein Reservoir wenigstens eine Analysesubstanz aufweisen. Beispielsweise kann eine Analysesubstanz bereits bei der Herstellung des Mikrofluidsystems in einen Kanal eingebracht werden, so dass eine spätere Präparation des Mikrofluidsystems vereinfacht wird. Vorzugsweise kann der Kanal und/oder das Reservoir eine Analysesubstanz in einer Hülle aufweisen, die sich erst nach einer vorbestimmten Zeit oder bei vorbestimmten Umgebungsparametern auflöst.According to an advantageous development of all of the microfluid systems described above, at least one channel and / or a reservoir can have at least one analysis substance. For example, an analysis substance can already be introduced into a channel during the manufacture of the microfluid system, so that later preparation of the microfluid system is simplified. The channel and / or the reservoir can preferably have an analysis substance in a shell, which dissolves only after a predetermined time or at predetermined environmental parameters.
In einer bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann in einem Mikrofluidsystem wenigstens ein weiterer Kanal vorgesehen sein, der eine geladene Oberfläche, Feststoffe, insbesondere Kolloide, Mikrofilter und/oder eine Einrichtung zur Rückflussverhinderung aufweist. Somit können durch die verschiedenen Eigenschaften verschiedene Kanäle unterschiedliche Funktionen beispielsweise beim Analysieren von Zellen und/oder Zellkompartimenten übernehmen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme können diese optisch hoch transparente Bereiche und oder in das Substrat integrierte optische Komponenten aufweisen. Damit können Zellen und/oder Zellkompartimente in den Kanälen optisch untersucht werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung können die optisch hoch transparenten Bereiche oder die integrierten optischen Komponenten eine Schutzfolie aufweisen. Eine solche Folie kann ein Verkratzen der Bereiche oder Komponenten verhindern. Vor dem Gebrauch des Mikrofluidsystems kann die Schutzfolie entfernt werden.In a preferred development of all the microfluid systems described above, at least one further channel can be provided in a microfluid system, which has a charged surface, solids, in particular colloids, microfilters and / or a device for preventing backflow. The different properties mean that different channels can perform different functions, for example when analyzing cells and / or cell compartments. According to an advantageous development of all the microfluid systems described above, these can have optically highly transparent regions and or optical components integrated into the substrate. This allows cells and / or cell compartments in the channels to be examined optically. In an advantageous development, the optically highly transparent areas or the integrated optical components can have a protective film. Such a film can prevent the areas or components from being scratched. The protective film can be removed before using the microfluid system.
Angesichts der eingangs diskutierten Nachteile ist eine weitere Aufgabe, ein System zum Transportieren von Flüssigkeiten bereitzustellen, in dem in einfacher Weise Flüssigkeiten transportiert werden können und ohne dass das Mikrofluidsystem einen ex- ' fernen Anschluss benötigt.In view of the above-discussed disadvantages a further object to provide a system for transporting fluids, in which liquids can be transported in a simple manner and without the microfluidic system requires an ex- 'remote terminal.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zum Transportieren von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem, umfassend ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, und eine Vorrichtung zum Schwenken des Mikrofluidsystems um wenigstens eine Achse in wenigstens zwei Richtungen. Bei dem Mikrofluidsystem kann es sich vorteilhafterweise um eines der oben beschriebenen Mikrofluidsysteme handeln.This object is achieved by a system for transporting liquids in a microfluid system, comprising a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated in the substrate, which connects two reservoirs, and a device for pivoting the microfluid system about at least one axis in at least two directions. The microfluid system can advantageously be one of the microfluid systems described above.
Dadurch ist die gezielte Bewegung von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem ohne externe Anschlüsse oder Verbindungen möglich. Nach Einbringen der zu untersuchenden Substanz in das Mikrofluidsystem kann dieses hermetisch abgeschlossen werden. Dies stellt eine deutliche Vereinfachung und Verbesserung bei Molekül- und Zelldiagnosen dar, da in einem solchen Träger Analysen insbesondere Langzeituntersuchungen ohne direkten Kontakt der zu untersuchenden Substanzen mit der Außenwelt durchgeführt werden können.This enables the targeted movement of liquids in a microfluid system without external connections or connections. After the substance to be examined has been introduced into the microfluidic system, it can be hermetically sealed. This represents a significant simplification and improvement in molecular and cell diagnoses, since in such a carrier analyzes, in particular long-term investigations, can be carried out without direct contact of the substances to be investigated with the outside world.
Unter Schwenken wird das Drehen um einen Winkel zwischen 0 und 2π verstanden. Das Mikrofluidsystem kann um eine Achse in zwei Richtungen und/oder um mehrere Achsen in eine Richtung geschwenkt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Mikrofluidsystem um eine Achse periodisch hin- und hergeschwenkt werden. Durch die Neigung des Substrats kann die Flussrate eingestellt werden. Auf diese Weise können Flüssigkeiten in dem Mikrofluidsystem aufgrund von Gravitationskraft transportiert werden. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Schwenken derart ausgebildet, dass das Mikrofluidsystem um mehrere Achsen geschwenkt werden kann. Diese Schwenkbewegurigen um unterschiedliche Achsen können sich insbesondere überlagern; dabei kann eine Art taumelnde Bewegung des Mikrofluidsystems entstehen. Insbesondere kann eine Schwenkbewegung um einen Winkel kleiner als 2 π um eine erste Achse mit einer vollständigen Kreisdrehung um eine zweite Achse überlagert werden. Bei einer Schwenkbewegung, insbesondere bei einer vollständigen Kreisdrehung, kann auch die Zentrifugalkraft, mit der die Flüssigkeiten beaufschlagt werden, für den Flüssigkeitstransport ausgenutzt werden.Swiveling is understood to mean rotating through an angle between 0 and 2π. The microfluidic system can be pivoted about an axis in two directions and / or about several axes in one direction. In an advantageous development, the microfluidic system can be periodically pivoted back and forth about an axis. The flow rate can be adjusted by the inclination of the substrate. In this way, liquids can be transported in the microfluid system due to gravitational force. The pivoting device is advantageously designed such that the microfluidic system can be pivoted about several axes. These pivots about different axes can in particular overlap; this can create a kind of tumbling movement of the microfluid system. In particular, a swiveling movement by an angle of less than 2π around a first axis can be superimposed with a complete circular rotation about a second axis. With a swiveling movement, in particular with a complete circular rotation, the centrifugal force with which the liquids are acted on can also be used for the liquid transport.
Durch die Schwenkbewegung können Flüssigkeiten aus verschiedenen Richtungen, je nach Neigung des Trägers, durch ein und denselben Kanal strömen. Dies ist bei der Verwendung einer sich drehenden Unterlage, bei welcher die Flüssigkeiten ausschließlich durch die Zentrifugalkraft bewegt werden, nicht möglich. Auch ist eine zeitliche Abfolge der Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit einfach und genau einzustellen. Dies ist besonders bei der kontrollierten Zusammenführung von mehreren Flüssigkeiten vorteilhaft.The swiveling movement allows liquids to flow through the same channel from different directions, depending on the inclination of the wearer. This is not possible when using a rotating base, in which the liquids are only moved by the centrifugal force. A chronological sequence of the flow direction and flow speed is also easy and precise to set. This is particularly advantageous when several liquids are brought together in a controlled manner.
Die Vorrichtung zum Schwenken kann beispielsweise hydraulische Einrichtungen umfassen, mit denen die Vorrichtung bewegt wird.The device for pivoting can, for example, comprise hydraulic devices with which the device is moved.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung zum Schwenken eine Einrichtung zum Fixieren des Mikrofluidsystems aufweisen. Damit werden Mikrofluidsysteme immer an der gleichen Stelle der Vorrichtung angeordnet. Falls somit die Vorrichtung bestimmte Schwenkbewegungen automatisiert durchführt, können Untersuchungen mit hoher Genauigkeit wiederholt werden.The device for pivoting can preferably have a device for fixing the microfluid system. This means that microfluidic systems are always arranged in the same place on the device. If the device thus performs certain pivoting movements automatically, examinations can be repeated with high accuracy.
Erfindungsgemäß wird auch ein System zum Transportieren von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem bereitgestellt, umfassend ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, wobei ein erstes Reservoir ein Volumen aufweist, und eine an dem ersten Reservoir angeordneten Vorrichtung, um das Volumen mit Druck zu beaufschlagen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Mikrofluidsystem um eines der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme. Vorzugsweise kann die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung als elastische Membran ausgebildet sein, die in Form eines Deckels auf dem Reseπ/oir angeordnet ist. Durch mechanischen Druck auf die Membran wird das Volumen des Reservoirs mit Druck beaufschlagt. Der Druck kann beispielsweise von Hand oder mittels eines Mikrofons ausgeübt werden.According to the invention, a system for transporting liquids in a microfluid system is also provided, comprising a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, a first reservoir having a volume, and one at the first reservoir arranged device to pressurize the volume. The microfluid system is preferably one of the microfluid systems described above. Preferably, the device for pressurizing can be designed as an elastic membrane, which is arranged in the form of a cover on the reseπ / oir. The volume of the reservoir is pressurized by mechanical pressure on the membrane. The pressure can be applied, for example, by hand or using a microphone.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme kann die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eine Druckpatrone bzw. Druckkartusche umfassen.According to an advantageous development of the microfluid systems described above, the device for pressurizing can comprise a print cartridge or print cartridge.
Gemäß einer vorteilhaften Alternative kann die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung eine Einrichtung zum Erwärmen und/oder Abkühlen des Volumens aufweisen.- Durch eine Erwärmung oder Abkühlung eines in dem Volumen befindlichen Gases, dehnt sich dieses aus oder zieht sich zusammen, so dass das Volumen mit einem positiven oder negativen Druck beaufschlagt wird.According to an advantageous alternative, the device for pressurizing can have a device for heating and / or cooling the volume. By heating or cooling a gas in the volume, the gas expands or contracts, so that the volume has a positive or negative pressure is applied.
Wie oben beschrieben, können die Mikrofluidsysteme eine Mehrzahl von Kanälen und/oder Reservoiren aufweisen. Dabei können mehrere Kanäle in ein Reservoir münden. Die Kanäle können sich auch kreuzen und/oder teilen.As described above, the microfluidic systems can have a plurality of channels and / or reservoirs. Several channels can open into a reservoir. The channels can also cross and / or split.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die beiden zuvor beschriebenen Systeme zum Transportieren von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem miteinander kombiniert sein.According to an advantageous development, the two previously described systems for transporting liquids can be combined with one another in a microfluid system.
Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Züchten und/oder Analysieren von Zellen mit den Schritten bereit: Bereitstellen eines Mikrofluidsystems mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, Einbringen von wenigstens einer Zelle in wenigstens einen Kanal, Befüllen wenigstens eines Reservoirs mit einer Flüssigkeit, und Transportieren der Flüssigkeit durch einen mit dem befüllten Reservoir verbundenen Kanal durch Schwenken des Mikrofluidsystems um wenigstens eine Achse in wenigstens zwei Richtungen. Das Mikrofluidsystem kann um eine Achse in zwei Richtungen und/oder um mehrere Achsen in jeweils eine Richtung geschwenkt werden. Vorzugsweise kann es sich bei dem bereitgestellten Mikrofluidsystem um eines der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme handeln. Auf diese Weise können beispielsweise Zellen in einem Mikrofluidsystem gezüchtet werden, wobei die Nährmediumversorgung und die Produktentsorgung in das Mikrofluidsystem integriert sind. Durch ein periodisches Hin- und Herschwenken des Mikrofluidsystems kann beispielsweise Flüssigkeit von einem jeweils höher gelegenen Reservoir in ein tiefergelegenes Reservoir durch den Kanal strömen. Dabei können die Geometrien des Kanals und des Reservoirs so aufeinander abgestimmt sein, dass sich wesentlich mehr Flüssigkeit in den Reservoiren befindet als im Kanal (typischerweise ein Faktor 10-200). Bilden sich im Kanal toxische Stoffe, oder ändert sich die Konzentration des in der Flüssigkeit gelösten Gases im Kanal, kann diese Flüssigkeit durch Kippen des Trägers in eines der Reservoire geleitet werden. Aufgrund der hohen Flüssigkeitsmenge im Reservoir im Verhältnis zum Kanal findet dort eine entsprechende Verdünnung statt. Bei wiederholten Wippen wird somit die Anreicherung toxischer Stoffe und die Zuführung von Nährmedien im Kanal gewährleistet. Dadurch können Zellen über einen langen Zeitraum in einem Kanalsystem am Leben gehalten werden.The invention also provides a method for growing and / or analyzing cells, comprising the steps of: providing a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate that connects two reservoirs, introducing at least one cell into at least one a channel, filling at least one reservoir with a liquid, and transporting the liquid through a channel connected to the filled reservoir by pivoting the microfluidic system about at least one axis in at least two directions. The microfluid system can be pivoted about an axis in two directions and / or about several axes in one direction. The microfluid system provided can preferably be one of the microfluid systems described above. In this way, cells can be grown in a microfluid system, for example, the nutrient medium supply and the product disposal being integrated into the microfluid system. By periodically swiveling the microfluid system back and forth, for example, liquid can flow through the channel from a respectively higher reservoir to a lower reservoir. The geometries of the channel and the reservoir can be coordinated so that there is significantly more liquid in the reservoirs than in the channel (typically a factor of 10-200). If toxic substances are formed in the channel or if the concentration of the gas dissolved in the liquid changes in the channel, this liquid can be directed into one of the reservoirs by tilting the carrier. Due to the large amount of liquid in the reservoir in relation to the channel, a corresponding dilution takes place there. Repeated seesaws guarantee the accumulation of toxic substances and the supply of nutrient media in the sewer. This allows cells to be kept alive in a channel system over a long period of time.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Züchten und/oder Analysieren von Zellen mit den Schritten bereitgestellt: Bereitstellen eines Mikrofluidsystems mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, Einbringen von wenigstens einer Zelle in wenigstens einen Kanal, Befüllen wenigstens eines Reservoirs mit einer Flüssigkeit, und Transportieren der Flüssigkeit durch einen mit dem befüllten Reservoir verbundenen Kanal durch Beaufschlagen der Flüssigkeit mit Druck. Vorzugsweise kann es sich bei dem bereitgestellten Mikrofluidsystem um eines der zuvor beschriebenen Mikrofluidsysteme handeln.According to the invention, a method for growing and / or analyzing cells is provided, comprising the steps of: providing a microfluid system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated in the substrate, which connects two reservoirs, introducing at least one cell into at least one channel Filling at least one reservoir with a liquid, and transporting the liquid through a channel connected to the filled reservoir by applying pressure to the liquid. The microfluid system provided can preferably be one of the microfluid systems described above.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die zuvor beschriebenen Verfahren in einem Verfahren kombiniert werden.According to an advantageous development, the previously described methods can be combined in one method.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der zuvor beschriebenen Verfahren umfasst das Befüllen des Reservoirs weiterhin ein Befüllen mit einem Gas. Dadurch wird dafür gesorgt, dass in der Flüssigkeit eine bestimmte Konzentration eines bestimmten Gases oder eines Gasgemisches gelöst vorliegt. Die Konzentration des Gases in der Flüssigkeit kann dabei durch die Verweildauer der Flüssigkeit im Reservoir bestimmt werden. Eine konstante Versorgung mit gelösten Gasen in der Flüssigkeit kann durch eine Verbindung der Reservoirs mit dem entsprechenden Gas gewährleistet werden.According to an advantageous further development of the previously described methods, the filling of the reservoir also includes a filling with a gas. This ensures that a certain concentration of a certain gas or a gas mixture is present in solution in the liquid. The concentration of the gas in the liquid can be determined by the length of time the liquid remains in the reservoir become. A constant supply of dissolved gases in the liquid can be guaranteed by connecting the reservoirs with the corresponding gas.
Durch das Befüllen eines Reservoirs, das mit einer Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung versehen ist, kann erreicht werden, dass sich insbesondere oberhalb der Flüssigkeit ein Gasvolumen befindet. Damit kommt die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung nicht mit der Flüssigkeit in Kontakt und die Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit erfolgt mittelbar über das Gasvolumen.By filling a reservoir, which is provided with a device for pressurizing, it can be achieved that there is a gas volume in particular above the liquid. Thus the device for pressurizing does not come into contact with the liquid and the pressurizing of the liquid takes place indirectly via the gas volume.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der zuvor beschriebenen Verfahren wird ein Reservoir mit Feststoffen, insbesondere mit Kolloiden, und ein weiteres Reservoir mit einer Flüssigkeit zum Funktionalisieren der Feststoffe befüllt. Durch gezieltes Befüllen. unterschiedlicher Reservoire und anschließendes Schwenken der Kammer können die so befüllten Reservoire mit Flüssigkeit gefüllt werden. Die in den Reservoiren befindlichen Feststoffe oder Teile der Feststoffe können sich somit in der Flüssigkeit lösen. Durch erneutes Schwenken kann die Flüssigkeit mit den gelösten Stoffen in einen ausgewählten Kanal geführt werden. Dies kann z.B. dazu dienen, Zellen in einer zeitlich definierten Abfolge mit Nährmedium zu versorgen. Auch kann so die Wirkung verschiedener Substanzen auf Zellen nachgewiesen werden.According to an advantageous development of the methods described above, a reservoir is filled with solids, in particular with colloids, and another reservoir with a liquid for functionalizing the solids. Through targeted filling. different reservoirs and subsequent swiveling of the chamber, the reservoirs filled in this way can be filled with liquid. The solids or parts of the solids located in the reservoirs can thus dissolve in the liquid. By swiveling again, the liquid with the dissolved substances can be led into a selected channel. This can e.g. serve to supply cells with nutrient medium in a chronologically defined sequence. The effect of various substances on cells can also be demonstrated in this way.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Nachweis von Molekülen kann die Schritte umfassen: Moleküle in einer ersten Flüssigkeit können die Oberfläche eines Kolloids funktionalisieren. Moleküle einer zweiten Flüssigkeit binden an die funktionalen Gruppen der Kolloidoberfläche. Eine dritte Flüssigkeit enthält Moleküle, welche spezielle Komponenten der angebundenen und/oder funktionalen Gruppe mit angebundenem Molekül ablöst. In jedem dieser Teilschritte können bestimmte Reaktionen nachgewiesen werden.An advantageous method for the detection of molecules can comprise the steps: molecules in a first liquid can functionalize the surface of a colloid. Molecules of a second liquid bind to the functional groups on the colloid surface. A third liquid contains molecules which detach special components of the attached and / or functional group with attached molecule. In each of these sub-steps, certain reactions can be demonstrated.
Vorzugsweise können die Verfahren dazu verwendet werden, um Zellorganellen (beispielsweise Zellkern oder Mitochondrien) oder Zellmoleküle (DNA, Proteine) zu separieren und/oder zu identifizieren. Dazu werden die im Substrat/Kanal befindlichen Zellen zerstört. Dies kann z.B. durch osmotischen Druck, Scherkräfte, Druckluft, oder spezielle Lösungsmittel erfolgen. Die Anwendung dieser Methoden ist in einem Mikrofluidsystem besonders einfach zu realisieren. Die so freigesetzten Zellkompati- mente können herausgefiltert, chemisch gebunden, im Gel separiert, elektrophore- tisch bewegt und/oder getrennt, immobilisiert oder an geladenen Oberflächen fixiert werden. Die dazu nötigen Komponenten können in das Mikrofluidsystem eingebracht sein oder können in den Kanal gefüllt werden.The methods can preferably be used to separate and / or identify cell organelles (for example cell nucleus or mitochondria) or cell molecules (DNA, proteins). To do this, the cells in the substrate / channel are destroyed. This can be done, for example, by osmotic pressure, shear forces, compressed air, or special solvents. These methods are particularly easy to use in a microfluid system. The cell components released in this way can be filtered out, chemically bound, separated in the gel, electrophoretically moved and / or separated, immobilized or fixed on charged surfaces become. The components required for this can be introduced into the microfluid system or can be filled into the channel.
Die Verfahren können insbesondere für die folgenden Analyseverfahren verwendet werden: In-Situ-Hybridisierung, FISH (fluorescence in situ hybridization) und CGH (comparative genomic hybridization).The methods can be used in particular for the following analysis methods: in-situ hybridization, FISH (fluorescence in situ hybridization) and CGH (comparative genomic hybridization).
In Kombination mit zeitlich korrelierten Schwenkbewegungen können mit den oben beschriebenen Verfahren Organellen und/oder Moleküle in einem Mikrofluidsystem mit Kanälen, Reservoiren und den beschriebenen Komponenten vollkommen automatisiert aus Zellen separiert und analysiert werden.In combination with temporally correlated pivoting movements, the above-described methods can be used to separate and analyze organelles and / or molecules in a microfluidic system with channels, reservoirs and the described components in a completely automated manner.
In einer bevorzugten Weiterbildung können alle zuvor beschriebenen Verfahren derart durchgeführt sein, dass aufgrund der Schwenkbewegungen das Mikrofluidsystem ein selbstversorgendes System darstellt. Dies kann durch die Verwendung der oben dargestellten Ausführungen realisiert werden. Dadurch ist eine Langzeitversorgung der Zellen gewährleistet. Dies ermöglicht einen ,Sofort-Test' auf Zellbasis. Vorzugsweise ist der Träger zunächst durch einen Abziehdeckel abgeschlossen. Dieser wird bei Gebrauch geöffnet, so dass der Test durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht einen lagerfähigen Test mit lebenden Zellen.In a preferred development, all of the methods described above can be carried out in such a way that the microfluid system is a self-sufficient system due to the pivoting movements. This can be achieved by using the designs shown above. This ensures long-term supply to the cells. This enables an "instant test" on a cell basis. The carrier is preferably initially closed by a pull-off cover. This is opened in use so that the test can be carried out. This enables a storable test with living cells.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Verfahren umfassen diese den weiteren Schritt: Fluoreszenzanalyse der Zellen und/oder Zellkompar- timente. Auf diese Weise kann das Züchten und Analysieren bis hin zur optischen Analyse in einem Mikrofluidsystem erfolgen.According to a preferred development of all the methods described above, these comprise the further step: fluorescence analysis of the cells and / or cell compartments. In this way, the cultivation and analysis up to the optical analysis can take place in a microfluid system.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung weiter erläutert. Dabei zeigt:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. It shows:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Mikrofluidsystems mit einem Kanal und zwei Reservoiren,1 is a cross-sectional view of a microfluidic system with a channel and two reservoirs,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Mirofluidsystems mit einer Vorrichtung zum Druckausgleich zwischen zwei Reservoiren,2 shows a cross-sectional view of a mirofluid system with a device for pressure equalization between two reservoirs,
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Kanals mit darin angeordneten Kolloiden, und Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Mikrofluidsystems mit zwei Reservoiren mit Kanalmündungen auf verschiedenen Höhen.3 shows a cross-sectional view of a channel with colloids arranged therein, and Fig. 4 is a cross-sectional view of a microfluidic system with two reservoirs with channel openings at different heights.
Fig. 1 zeigt ein Mikrofluidsystem mit einem Substrat 1 , zwei Reservoiren 2 und 3 und einem in das Substrat 1 integrierten Kanal 4. Die Mündungen 5 und 6 des Kanals 4 sind jeweils oberhalb Grundflächen 7 und 8 der Reservoire 2 und 3 angeordnet. Innerhalb der Reservoire 2 und 3 sind auf der Grundfläche 7 und 8 stehende Hohlzylin- der 9 und 10 ausgebildet, durch die der Kanal 4 geführt wird. Die Hohlzylinder 9 und 10 sind direkt entlang der Reservoirseitenwände 13 und 14 angeordnet und gehen in diese über. Die Mündungen 5 und 6 sind auf unterschiedlichen Höhen, von der Grundfläche 7 und 8 gesehen, angeordnet, so dass je nach Reservoir ein unterschiedlicher Neigungswinkel des Mikrofluidsystems erforderlich ist, damit eine Flüssigkeit in den Kanal 4 fließt. Die mündungsseitigen Oberflächen 11 und 12 der Hohlzylinder 9 und 10 sind abgeschrägt, damit die Flüssigkeit beim Ausströmen aus der Mündung nicht nach oben spritzt sonder zur Seite fließt.1 shows a microfluidic system with a substrate 1, two reservoirs 2 and 3 and a channel 4 integrated into the substrate 1. The orifices 5 and 6 of the channel 4 are arranged above base areas 7 and 8 of the reservoirs 2 and 3, respectively. Hollow cylinders 9 and 10 are formed on the base 7 and 8 within the reservoirs 2 and 3, through which the channel 4 is guided. The hollow cylinders 9 and 10 are arranged directly along the reservoir side walls 13 and 14 and merge into them. The orifices 5 and 6 are arranged at different heights, as seen from the base 7 and 8, so that, depending on the reservoir, a different angle of inclination of the microfluid system is required so that a liquid flows into the channel 4. The mouth-side surfaces 11 and 12 of the hollow cylinders 9 and 10 are chamfered so that the liquid does not splash upwards when flowing out of the mouth but flows to the side.
Fig. 2a zeigt ein Mikrofluidsystem, wobei in dem Kanal 4 Zellen 15 angeordnet sind. Die Flüssigkeitsreservoire 2 und 3 umfassen jeweils Flüssigkeitsvolumina 16 und 17 und - darüber angeordnet - Gasvolumina 18 und 19. Bei der Flüssigkeit handelt es sich um ein Nährmedium. Die Reservoire 2 und 3 sind durch Deckel 20 und 21 luftdicht abgeschlossen. Die Reservoire 2 und 3 sind durch die Deckel über einem Gaskanal 22 miteinander verbunden, wodurch ein Gasaustausch und somit ein Druckausgleich ermöglicht wird. Während der Kultivierung der Zellen 15 entstehen toxische Stoffe 23.FIG. 2a shows a microfluid system, with cells 15 being arranged in the channel 4. The liquid reservoirs 2 and 3 each comprise liquid volumes 16 and 17 and - arranged above them - gas volumes 18 and 19. The liquid is a nutrient medium. Reservoirs 2 and 3 are hermetically sealed by covers 20 and 21. The reservoirs 2 and 3 are connected to each other by the cover via a gas channel 22, which enables gas exchange and thus pressure equalization. Toxic substances 23 arise during the cultivation of the cells 15.
Um die toxischen Stoffe zu verdünnen bzw. von den Zellen zu entfernen und gleichzeitig Nährmedium zuzuführen, wird das Mikrofluidsystem nach einer Seite geschwenkt. Ein derart geneigtes Mikrofluidsystem ist in Fig. 2b zu sehen. Durch die Neigung strömt Flüssigkeit vom Reservoir 2 in das niedriger gelegene Reservoir 3. Die toxischen Stoffe 23 werden von den Zellen 15 entfernt und in dem Reservoir 3 verdünnt; außerdem wird den Zellen frisches Nährmedium aus dem Reservoir 2 zugeführt. Das Gas aus dem verkleinerten Gasvolumen 19 strömt über den Gaskanal 22 in das Reservoir 2, wodurch ein Druckausgleich geschaffen wird.The microfluidic system is swiveled to one side in order to dilute or remove the toxic substances from the cells and at the same time to supply nutrient medium. A microfluid system inclined in this way can be seen in FIG. 2b. Due to the inclination, liquid flows from the reservoir 2 into the lower reservoir 3. The toxic substances 23 are removed from the cells 15 and diluted in the reservoir 3; In addition, fresh nutrient medium is fed from the reservoir 2 to the cells. The gas from the reduced gas volume 19 flows through the gas channel 22 into the reservoir 2, whereby pressure equalization is created.
In einer alternativen Ausführung kann das Kanalsystem mit einer beweglichen Membran abgeschlossen werden. Diese Membran kann z.B. in einen Deckel eingebracht sein. Durch Drücken auf diese Membran entsteht auf der entsprechenden Seite im Kanalsystem ein Überdruck, und die Flüssigkeit wird im Kanal bewegt. Dabei kann der Druck sowohl per Hand angelegt werden, als auch über ein Mikrofon übertragen werden. Durch die Übertragung mittels eines Mikrofons können bestimmte Schwingungsfrequenzen oder Überlagerungen von Schwingungsfrequenzen der Druckdifferenz im Kanal angelegt werden. Dies kann dazu dienen, Adhäsionskräfte von Partikeln, wie z.B. Zellen, an den Innenwänden des Kanalsystems zu bestimmen. Auch kann dadurch die Mischung von zwei Substanzen beschleunigt oder der gezielte Transport von Flüssigkeiten durchgeführt werden. Dies ist besonders in kleinen Kanälen gut zu realisieren. In einer typischen Ausführung ist das Mikrofon direkt über dem Träger angebracht. So kann eine gezielte Bewegung der Flüssigkeit im Träger ohne ein Anschlusssystem erfolgen.In an alternative embodiment, the channel system can be closed off with a movable membrane. This membrane can be placed in a cover, for example his. Pressing this membrane creates an overpressure on the corresponding side in the channel system and the liquid is moved in the channel. The pressure can be applied manually as well as transmitted via a microphone. By means of the transmission by means of a microphone, certain oscillation frequencies or superimpositions of oscillation frequencies of the pressure difference in the channel can be created. This can be used to determine the adhesive forces of particles, such as cells, on the inner walls of the channel system. The mixture of two substances can also be accelerated or the targeted transport of liquids can be carried out. This is particularly easy to implement in small channels. In a typical version, the microphone is attached directly above the carrier. In this way, a targeted movement of the liquid in the carrier can take place without a connection system.
In einer vorteilhaften Alternative kann die Flüssigkeit auch durch Anlegen eines Überdruckes auf mindestens einer Seite des Kanals durch den Kanal transportiert werden. In einer Ausführung wird dazu das Kanalsystem mit einzelnen Steckern und/oder einer Steckerleiste versehen. Diese Stecker können z.B. über ein Schlauchsystem mit z.B. Druckkartuschen verbunden sein. Vorteilhafterweise ist zwischen Druckpatrone und Kanalsystem ein Ventil angebracht. Durch Öffnen des Ventils wird ein Überdruck im Kanalsystem erzeugt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Ventil um ein automatisch ansteuerbares Ventil, z.B. um ein Piezoventil. In einem Kanalsystem mit mehreren untereinander verbundenen Kanälen kann eine Flüssigkeit aus einem Reservoir oder Kanal auch gleichzeitig in mehrere damit verbundene Kanäle transportiert werden, indem das Reservoir oder der Kanal mit Druck beaufschlagt wird. Die wichtigsten Vorteile einer solchen Ausführung sind zum einen, dass es im Analysegerät außer dem Ventil keine beweglichen und somit störanfälligen Bauelemente gibt, und zum anderen, dass die Probensubstanz nur mit dem Träger in Kontakt kommt (Verringerung des Kontaminationsrisikos). Da nur extrem geringe Drücke (mm-cm Wassersäule) verwendet werden müssen, ist die Lebensdauer einer so verwendeten Druckpatrone sehr hoch. In einer Weiterentwicklung ist es möglich, zwischen Druckpatrone und Trägersystem einen Druckminderer einzusetzen. Dieser ist vorteilhafterweise ebenfalls elektrisch anzusteuern. Die Positionsbestimmung der Probensubstanz kann über das Messen des angelegten Druckes erfolgen. In einem typischen Analyseprotokoll wird bei dieser Ausführung zuerst die Probensubstanz in den Träger ein- gefüllt und daraufhin der Probenträger mit den Anschlüssen verbunden, über welche der Überdruck angelegt werden kann.In an advantageous alternative, the liquid can also be transported through the channel by applying an overpressure on at least one side of the channel. In one embodiment, the duct system is provided with individual plugs and / or a plug strip. These plugs can be connected to, for example, pressure cartridges via a hose system. A valve is advantageously attached between the print cartridge and the channel system. Opening the valve creates an overpressure in the duct system. The valve is advantageously an automatically controllable valve, for example a piezo valve. In a channel system with a plurality of channels connected to one another, a liquid can also be transported from a reservoir or channel simultaneously into several channels connected to it by pressurizing the reservoir or the channel. The most important advantages of such a design are, on the one hand, that there are no movable and therefore fault-prone components in the analyzer apart from the valve, and on the other hand that the sample substance only comes into contact with the carrier (reduction of the risk of contamination). Since only extremely low pressures (mm-cm water column) have to be used, the service life of a print cartridge used in this way is very long. In a further development, it is possible to use a pressure reducer between the print cartridge and the carrier system. This is advantageously also electrically controlled. The position of the sample substance can be determined by measuring the pressure applied. In a typical analysis protocol, the sample substance is first inserted into the carrier in this embodiment. filled and then the sample holder connected to the connections via which the overpressure can be applied.
In Fig. 3 werden verschiedene Kolloidanordnungen in einem Kanal 4 gezeigt. In Fig. 3a umfasst der Kanal Kolloide 24, die durch einen Mikrofilter 25 fixiert sind. In Fig. 3b verjüngt sich der Kanal 4 in Flussrichtung. Vor der Verengung lagern sich große Kolloide 24 an. Dahinter sind dann kleinere Kolloide 26 angeordnet, wodurch eine Kolloidbarriere aus unterschiedlich großen Kolloiden gebildet wird. Die Kolloidbarriere in Fig. 3c umfasst nur große Kolloide 24, die vor einer Verengung fixiert werden.Various colloid arrangements in a channel 4 are shown in FIG. 3. In FIG. 3a, the channel comprises colloids 24, which are fixed by a microfilter 25. 3b, the channel 4 tapers in the direction of flow. Large colloids 24 accumulate before the narrowing. Smaller colloids 26 are then arranged behind them, as a result of which a colloid barrier is formed from colloids of different sizes. The colloid barrier in FIG. 3 c only comprises large colloids 24, which are fixed before a narrowing.
In fast allen analytischen oder diagnostischen Tests werden Substanzen (Analysesubstanzen) verwendet, mit deren Hilfe die zu analysierenden. Stoffe unter anderem charakterisiert, aufgereinigt, dupliziert, nachgewiesen und/oder neutralisiert/abgetötet werden. Beispiele sind Puffer, Passivierungspuffer, fluoreszierende Moleküle, radioaktive Moleküle, Markermoleküle, Proteine oder ganze Zellen. In einer bevorzugten Weiterentwicklung befinden sich bereits im Kanalsystem Substanzen, die zur Analyse der Probe benötigt werden (Analysesubstanzen). Diese können fest, flüssig oder gasförmig sein. Insbesondere können die Analysesubstanzen im Kanalsystem eingetrocknet werden. Die Analysesubstanzen können sich direkt in einem Kanal oder in einem Reservoir, welches mit dem Kanal verbunden ist, befinden. Zwischen dem Reservoir und dem Kanal kann sich eine wasserlösliche Sperrschicht befinden. Dies hat den Vorteil, dass bestimmte Substanzen erst nach einer bestimmten Zeit im Reaktions- und/oder Analysebereich des Kanalsystems wirken können. Die Analysesubstanzen können auch in Hüllen eingeschlossen sein, welche sich erst nach einer gewissen Zeit oder bei bestimmten Parametern (z.B. pH-Wert, pks-Wert) auflösen (wie bei bestimmten Medikamenten). So können in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge ablaufende Analyseprozesse ohne externe Steuerung, wie einen Lösungsmittelaustausch, ablaufen. Die Träger bzw. Mikrofluidsysteme können mit den bereits integrierten Substanzen ausgeliefert werden.Substances (analysis substances) are used in almost all analytical or diagnostic tests, with the help of which the ones to be analyzed. Substances are characterized, purified, duplicated, detected and / or neutralized / killed, among other things. Examples are buffers, passivation buffers, fluorescent molecules, radioactive molecules, marker molecules, proteins or whole cells. In a preferred further development, substances which are required for the analysis of the sample are already in the channel system (analysis substances). These can be solid, liquid or gaseous. In particular, the analysis substances can be dried in the sewer system. The analysis substances can be located directly in a channel or in a reservoir which is connected to the channel. A water-soluble barrier layer can be located between the reservoir and the channel. This has the advantage that certain substances can only act in the reaction and / or analysis area of the channel system after a certain time. The analysis substances can also be enclosed in shells which only dissolve after a certain time or with certain parameters (e.g. pH value, pks value) (as with certain medications). In this way, analysis processes can be carried out in a certain chronological order without external control, such as a solvent exchange. The carriers or microfluidic systems can be delivered with the already integrated substances.
Fig. 4a zeigt einen Querschnitt eines Mikrofluidsystems mit einem Substrat 1, in welchem zwei Reservoire 27 und 28 übereinander angeordnet sind. Die Reservoire können von der Seite her zugänglich sein, indem seitlich jeweils ein weiterer Kanal (nicht gezeigt) in jedes Reservoir mündet. Die Grundflächen der Reservoire sind relativ zur Seitenfläche geneigt, wobei der Neigungswinkel unterschiedlich ist. Wird das Mikroflu- idsystem um einen ersten, kleineren Winkel geschwenkt (Fig. 4b), so erreicht nur dir Flüssigkeit in dem unteren Reservoir 27 die Kanalmündung und fließt in den Kanal. Bei einem stärkeren Neigungswinkel des Mikrofluidsystems (Fig. 4c) erreicht die Flüssigkeit aus dem zweiten Reservoir 28 die Kanalmündung und kann diesen Kanal durchströmen. 4a shows a cross section of a microfluid system with a substrate 1, in which two reservoirs 27 and 28 are arranged one above the other. The reservoirs can be accessible from the side in that a further channel (not shown) opens into the side of each reservoir. The bases of the reservoirs are inclined relative to the side surface, the angle of inclination being different. If the microfluidic idsystem pivoted by a first, smaller angle (Fig. 4b), only liquid in the lower reservoir 27 reaches the channel mouth and flows into the channel. At a greater angle of inclination of the microfluid system (FIG. 4c), the liquid from the second reservoir 28 reaches the channel mouth and can flow through this channel.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrofluidsystem mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, wobei die Mündung wenigstens eines Kanals oberhalb der Grundfläche eines Reservoirs angeordnet ist.1. Microfluidic system with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, the mouth of at least one channel being arranged above the base area of a reservoir.
2. Mikrofluidsystem nach Anspruch 1, wobei das Mikrofluidsystem abgeschlossen ist und eine Vorrichtung zum Druckausgleich umfasst, die jedes Reservoir mit wenigstens einem anderen Reservoir verbindet.2. The microfluidic system of claim 1, wherein the microfluidic system is closed and comprises a pressure compensation device that connects each reservoir to at least one other reservoir.
3. Mikrofluidsystem nach Anspruch 1 oder 2, in welchem wenigstens ein Kanal eine geladene Oberfläche, Feststoffe, insbesondere Kolloide, Mikrofilter und/oder eine Einrichtung zur Rückflussverhinderung aufweist.3. Microfluid system according to claim 1 or 2, in which at least one channel has a charged surface, solids, in particular colloids, microfilters and / or a device for preventing backflow.
4. Mikrofluidsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem wenigstens ein weiterer Kanal vorgesehen ist, der eine geladene Oberfläche, Feststoffe, insbesondere Kolloide, Mikrofilter und/oder eine Einrichtung zur Rückflussverhinderung aufweist.4. Microfluid system according to one of the preceding claims, in which at least one further channel is provided which has a charged surface, solids, in particular colloids, microfilters and / or a device for preventing backflow.
5. Mikrofluidsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem wenigstens ein Kanal und/oder ein Reservoir wenigstens eine Analysesubstanz aufweist.5. Microfluidic system according to one of the preceding claims, in which at least one channel and / or a reservoir has at least one analysis substance.
6. Mikrofluidsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem das Substrat wenigstens einen optisch hoch transparenten Bereich und/oder wenigstens eine integrierte optische Komponente aufweist.6. Microfluidic system according to one of the preceding claims, in which the substrate has at least one optically highly transparent region and / or at least one integrated optical component.
7. Mikrofluidsystem nach Anspruch 6, in welchem jeder optische hoch transparente Bereich und/oder jede integrierte optische Komponente eine Schutzfolie aufweist.7. The microfluidic system according to claim 6, in which each optical highly transparent region and / or each integrated optical component has a protective film.
8. System zum Transportieren von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem umfassend ein Mikrofluidsystem, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, und8. System for transporting liquids in a microfluidic system a microfluid system, in particular according to one of the preceding claims, with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, and
eine Vorrichtung zum Schwenken des Mikrofluidsystems um wenigstens eine Achse in wenigstens zwei Richtungen.a device for pivoting the microfluidic system about at least one axis in at least two directions.
9. System zum Transportieren von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidsystem umfassend9. System for transporting liquids in a microfluidic system
ein Mikrofluidsystem, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 - 7, mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet, wobei ein erstes Reservoir ein Volumen aufweist, unda microfluid system, in particular according to one of claims 1-7, with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs, a first reservoir having a volume, and
eine an dem ersten Reservoir angeordneten Vorrichtung, um das Volumen mit Druck zu beaufschlagen.a device located on the first reservoir to pressurize the volume.
10. Verfahren zum Züchten und/oder Analysieren von Zellen mit den Schritten:10. A method for growing and / or analyzing cells comprising the steps:
Bereitstellen eines Mikrofluidsystems, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 - 7, mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet,Providing a microfluidic system, in particular according to one of claims 1-7, with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs,
Einbringen von wenigstens einer Zelle in wenigstens einen Kanal,Introducing at least one cell into at least one channel,
Befüllen wenigstens eines Reservoirs mit einer Flüssigkeit, undFilling at least one reservoir with a liquid, and
Transportieren der Flüssigkeit durch einen mit dem befüllten Reservoir verbundenen Kanal durch Schwenken des Mikrofluidsystems um wenigstens eine Achse in wenigstens zwei Richtungen.Transporting the liquid through a channel connected to the filled reservoir by pivoting the microfluidic system about at least one axis in at least two directions.
11. Verfahren zum Züchten und/oder Analysieren von Zellen mit den Schritten:11. Method for growing and / or analyzing cells with the steps:
Bereitstellen eines Mikrofluidsystems, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 - 7, mit einem Substrat, wenigstens zwei Reservoiren und wenigstens einem in das Substrat integrierten Kanal, der zwei Reservoire verbindet,Providing a microfluidic system, in particular according to one of claims 1-7, with a substrate, at least two reservoirs and at least one channel integrated into the substrate, which connects two reservoirs,
Einbringen von wenigstens einer Zelle in wenigstens einen Kanal, Befüllen wenigstens eines Reservoirs mit einer Flüssigkeit, undIntroducing at least one cell into at least one channel, Filling at least one reservoir with a liquid, and
Transportieren der Flüssigkeit durch einen mit dem befüllten Reservoir verbundenen Kanal durch Beaufschlagen der Flüssigkeit mit Druck.Transporting the liquid through a channel connected to the filled reservoir by pressurizing the liquid.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das Befüllen des Reservoirs weiterhin ein Befüllen mit einem Gas umfasst.12. The method of claim 10 or 11, wherein filling the reservoir further comprises filling with a gas.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 - 12, wobei ein Reservoir mit einem Lösungsmittel zum Zerstören von Zellen und/oder ein Reservoir mit einer Flüssigkeit zum Aufreinigen Molekülen befüllt wird.13. The method according to any one of claims 10-12, wherein a reservoir with a solvent for cell destruction and / or a reservoir with a liquid for cleaning Molecules is filled.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 - 13, wobei ein Reservoir mit Feststoffen, insbesondere Kolloiden, und ein weiteres Reservoir mit einer Flüssigkeit zum Funktionalisieren der Feststoffe befüllt wird.14. The method according to any one of claims 10-13, wherein a reservoir is filled with solids, in particular colloids, and a further reservoir with a liquid for functionalizing the solids.
15. Verfahren nach ein der Ansprüche 10 - 14 mit dem weiteren Schritt:15. The method according to any one of claims 10-14 with the further step:
Fluoreszenzanalyse der Zellen und/oder Zellkompartimente. Fluorescence analysis of the cells and / or cell compartments.
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