EP2329877A1 - Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe - Google Patents

Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe Download PDF

Info

Publication number
EP2329877A1
EP2329877A1 EP09015031A EP09015031A EP2329877A1 EP 2329877 A1 EP2329877 A1 EP 2329877A1 EP 09015031 A EP09015031 A EP 09015031A EP 09015031 A EP09015031 A EP 09015031A EP 2329877 A1 EP2329877 A1 EP 2329877A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reagent
reagent chambers
channel
chamber
chambers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09015031A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Augstein
Susanne Würl
Carlo Dr. Effenhauser
Christoph Böhm
Edwin Dr. Oosterbroek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
F Hoffmann La Roche AG
Roche Diagnostics GmbH
Original Assignee
F Hoffmann La Roche AG
Roche Diagnostics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by F Hoffmann La Roche AG, Roche Diagnostics GmbH filed Critical F Hoffmann La Roche AG
Priority to EP09015031A priority Critical patent/EP2329877A1/de
Priority to EP10782320.5A priority patent/EP2506959B1/de
Priority to PCT/EP2010/068499 priority patent/WO2011067241A1/de
Publication of EP2329877A1 publication Critical patent/EP2329877A1/de
Priority to US13/487,707 priority patent/US8911684B2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers 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
    • B01L3/502746—Containers 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 for controlling flow resistance, e.g. flow controllers, baffles or throttle valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F21/00—Dissolving
    • B01F21/20—Dissolving using flow mixing
    • B01F21/22—Dissolving using flow mixing using additional holders in conduits, containers or pools for keeping the solid material in place, e.g. supports or receptacles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F29/00—Mixers with rotating receptacles
    • B01F29/30—Mixing the contents of individual packages or containers, e.g. by rotating tins or bottles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/10—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with a mixing receptacle rotating alternately in opposite directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/71—Feed mechanisms
    • B01F35/712—Feed mechanisms for feeding fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/71—Feed mechanisms
    • B01F35/717—Feed mechanisms characterised by the means for feeding the components to the mixer
    • B01F35/71725—Feed mechanisms characterised by the means for feeding the components to the mixer using centrifugal forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/16—Reagents, handling or storing thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0409—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces centrifugal forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084—Passive control of flow resistance
    • B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions

Definitions

  • the present invention relates to a microfluidic element for determining an analyte in a fluid sample, preferably in a body fluid sample.
  • the element comprises a substrate and a channel structure which is enclosed by the substrate and a cover layer.
  • Microfluidic elements for analyzing a fluid sample and mixing a fluid with a reagent are used in diagnostic tests (in vitro diagnostics). In these tests, body fluid samples are analyzed for an analyte for medical purposes.
  • the term mixing comprises both the possibility that the reagent is in liquid form, that is, that two liquids are mixed together.
  • the term includes the possibility that the reagent is present as a solid and dissolved in a liquid and homogenized.
  • the solid dry reagent is introduced into the fluidic element in liquid form and dried in a further step before the element is used for analysis.
  • test carriers on which microfluidic elements with channel structures for receiving a liquid sample are present in order to enable the implementation of complex and multi-level test procedures ("test protocols").
  • a test carrier may comprise one or more fluidic elements.
  • Test carrier and fluidic elements consist of a carrier material, usually a substrate made of plastic material. Suitable materials are, for example, COC (cyclo-olefin copolymer) or plastics such as PMMA, polycarbonate or polystyrene.
  • the test carriers have a sample analysis channel which is enclosed by the substrate and a lid or cover layer.
  • the sample analysis channel often consists of a succession of multiple channel sections and intermediate chambers compared to the channel sections of extended chambers.
  • the structures and dimensions of the sample analysis channel with its chambers and sections are defined by a patterning of plastic parts of the substrate, which are produced, for example, by injection molding techniques or other methods for producing suitable structures. It is also possible to introduce the structure by material-removing methods such as milling.
  • Fluidic test carriers are used, for example, in immunochemical analyzes with a multi-step test procedure in which a separation of bound and free reaction components takes place.
  • a controlled liquid transport is necessary.
  • the control of the process flow can take place with internal (within the fluidic element) or with external (outside the fluidic element) measures.
  • the control can be based on the application of pressure differences or else the change of forces, for example resulting from the change in the effective direction of gravity.
  • centrifugal forces acting on a rotating test carrier a control by changing the rotational speed or the direction of rotation or by the distance from the axis of rotation can be made.
  • the sample analysis channel of the microfluidic elements contains at least one reagent which reacts with a liquid introduced into the channel.
  • the liquid and the reagent are mixed in the test carrier with each other so that a reaction of the sample liquid with the reagent leads to a change in a measured variable that is characteristic of the analyte contained in the liquid.
  • the measured variable is measured on the test carrier itself.
  • Commonly used are optically evaluable measuring methods in which a color change or another optically measurable variable are detected.
  • the capillary channels contain special flow obstacles.
  • the production of such obstacles, such as ribs, must be formed in the microstructure and are therefore expensive and complicate the manufacturing process of the test carrier.
  • such structures are not suitable for all mixing processes or not for all reagents and sample liquids.
  • microfluidic element or test carrier in which the mixing of, in particular, small sample liquids is improved.
  • the fluidic element should be suitable for simultaneously mixing different reagents, which are introduced separately and which, for. B. at different spatial locations, dissolve and to allow the sample liquid to react with different reagents.
  • microfluidic element having the features of claim 1.
  • test carrier for analyzing a body fluid sample for an analyte contained therein without limiting the generality of a microfluidic element.
  • other sample fluids can also be analyzed.
  • a microfluidic element is understood to mean an element with a channel structure in which the smallest dimension of the channel structure is at least 1 ⁇ m and its largest dimension (for example Length of the channel) is at most 10 cm. Due to the small dimensions and the capillary channel structures prevail in the channels or channel sections predominantly laminar flow conditions. The resulting poor conditions for thorough mixing of liquid and solid in such capillary channels are significantly improved by the microfluidic element according to the invention.
  • the microfluidic element rotates about an axis of rotation.
  • the axis of rotation preferably extends through the microfluidic element. It passes through a predetermined position, preferably z. B. by the center of gravity or the center of the element.
  • the axis of rotation extends perpendicular to the surface of the fluidic element, which preferably has a flat, disk-like shape and z. B. may be a round disc.
  • the microfluidic element is held for example in a holder of an analyzer, wherein the axis of rotation is formed by a rotary shaft of the device.
  • a channel structure which comprises a feed channel with a feed opening and a bleed channel with a bleed opening and at least two reagent chambers.
  • At least one of the reagent chambers contains a reagent which is preferably in solid form as a dry reagent and which reacts with the liquid sample introduced into the channel structure.
  • Each two adjacent reagent chambers are connected to one another via at least two connection channels such that a fluid exchange between the two reagent chambers is made possible.
  • one of the reagent chambers has an inlet opening which is in fluid communication with the feed channel so that a liquid sample can flow from the feed channel into the reagent chambers.
  • the arrangement makes it possible to dissolve different reagents, which have been introduced separately, without mixing on drying, in a single process step, wherein the dissolution is not impeded fluidically.
  • connection channels between the two reagent chambers allow unhindered and rapid fluid exchange.
  • more than two connection channels are advantageous.
  • Particularly preferred three connection channels are used, the z. B. can be arranged substantially parallel to each other.
  • the reagent chambers are fluidly connected in series through the two connection channels in such a way that a fluid series connection is created.
  • the reagent chambers are geometrically independent components and have their own receiving volume. Fluidically, however, they are a single fluid chamber. Thus, the positive properties of single reagent chambers are combined with the properties of a single fluid chamber.
  • the solid dry reagents are introduced into the chambers in liquid form and then dried.
  • This drying takes place either by heating or by freezing, which preferably takes place at temperatures of below -60 ° C., particularly preferably at about -70 ° C.
  • the test carrier to improve the drying of the liquid reagent, pre-cooled.
  • the "cold drying" by freezing is preferred.
  • the reagent chambers are geometrically separated from one another, different reagents can be introduced into each of the reagent chambers without the reagents being mixed before or during drying. This is supported by a corresponding geometric design of the reagent chambers.
  • the chambers may be separated by sharp boundaries such as ridges or edges to prevent crosstalk due to creep effects.
  • the sharp-edged boundaries also form a barrier for transporting the fluid out of a reagent chamber. However, this can occur due to the Forces (centrifugal force, hydrostatic force) are easily overcome.
  • the arrangement of the reagent chambers of the channel structure is designed in such a way that one of the chambers is arranged to be more remote from the axis of rotation than the other chamber, ie. H. the distance between the one reagent chamber and the axis of rotation is greater than the distance between the other chamber.
  • the liquid introduced into the channel structure is first conducted into the chamber remote from the axis of rotation, so that this chamber is filled first and the reagent deposited in the chamber is released.
  • the liquid reacts with the reagent.
  • the amount of liquid and the volume of the first reagent chamber are matched to one another.
  • the two (or more) connecting channels between two adjacent reagent chambers are arranged in parallel.
  • the spaced (separate) connection channels are preferably formed by straight channel sections.
  • the length of at least one of the connecting channels is preferably smaller than the smallest dimension of the reagent chambers in the test carrier plane (plane transverse to the axis of rotation).
  • one of the at least two connecting channels is arranged centrally between adjacent reagent chambers. He aligns with the centers of the two reagent chambers that he connects.
  • the (other) connecting channel is laterally connected to the reagent chambers such that it extends outside the central axis connecting the centers. It is particularly preferably arranged tangentially to the reagent chambers that its outer side (outer wall) is aligned with the outer walls of the reagent chambers.
  • the centric connection channel is wider (it has a larger cross-section at the same channel height) than the laterally arranged channel.
  • connection channels between two adjacent reagent chambers are designed such that, when filling the reagent chamber arrangement, the liquid can flow through the connection channels from one chamber into the second. At the same time, the air contained in the not yet filled chamber can escape through one of the two channels, preferably through the central connecting channel.
  • a connecting channel extends along the central axis, which connects the centers of two adjacent reagent chambers.
  • This preferably centrally arranged connecting channel is used for venting the reagent chambers when filled with liquid.
  • the two other connection channels are preferably arranged tangentially to the reagent chambers. Through these connection channels, the reagent chambers are filled with liquid or the liquid flows from one chamber into the adjacent second chamber.
  • connection channels are each arranged between two adjacent reagent chambers.
  • the channel structure comprises a mixing chamber in which the reagent chambers and the connection channels are integrated between the reagent chambers.
  • the reagent chambers in the mixing chamber are arranged in series in the radial direction in such a way that the row of chambers encloses an angle of at most 80 ° to the radial direction, particularly preferably of a maximum of 60 °.
  • Radial direction is to be understood as meaning a straight line that extends outward from the axis of rotation of the microfluidic element or of the test carrier. Consequently, the reagent chambers need not be directly directed radially outward, but may include an angle to the radial direction other than 90 °.
  • the reagent chambers are designed so that a filling with a liquid and the dissolution of a solid dry reagent contained in the reagent chamber takes place without the liquid flowing into the adjacent reagent chamber.
  • the liquid remains in the reagent chamber, in which it flows. This is always the first time you fill the rotating axis remote reagent chamber. As a rule, therefore, it has the inlet opening, which is in fluid communication with the feed channel such that a liquid sample can flow into the rotation axis remote reagent chamber.
  • FIG. 1 shows a microfluidic element 1 with three identically constructed channel structures 2, which extend substantially radially outward.
  • the microfluidic element 1 is a test carrier 3, which is formed as a round disc and through which a rotation axis 4 extends centrally to the the disc-shaped test carrier 3 rotates.
  • the channel structure 2 is enclosed by a substrate 5 and a cover layer, not shown, which covers the test carrier 3 from above.
  • the microfluidic element 1 is suitable for use in an analyzer or similar device having a support for receiving and rotating the microfluidic element.
  • the device is preferably designed such that the microfluidic element is rotated about a rotary shaft of the device, wherein the axis of the rotary shaft is aligned with the axis of rotation 4 of the microfluidic element 1.
  • the rotary shaft of the device can extend through a bore 4a of the test carrier 3.
  • the channel structure 2 of the microfluidic element 1 includes a feed channel 6, which comprises a U-shaped channel section 7 and a straight channel section 8.
  • a feed opening 9 is provided, through which a liquid sample, preferably, for example, a body fluid such as blood, can be entered into the feed channel 6.
  • a sample liquid can be metered by an operator manually (with a pipette) into a feed opening 9.
  • the feed channel can also be equipped with a liquid by means of a dosing station of an analytical device.
  • the channel structure 2 further comprises a vent channel 10 with a vent opening 11 and two reagent chambers 13, which are connected to each other via three connecting channels 14 so that a fluid exchange between the two reagent chambers 13 takes place.
  • the channel structure 2 is in a preferred embodiment according to FIG. 1 designed as an analysis function channel 15, a measuring chamber 16, a measuring channel 17 between the measuring chamber 16 and the reagent chambers 13 and a waste chamber 18, which is connected via a discharge channel 19 with the measuring chamber 16.
  • Waste chamber 18 has an outlet valve 21 through which air from the channel structure 2 can escape.
  • the channel structure 2 includes a mixing chamber 22, in which the two reagent chambers 13 and the three connecting channels 14 are integrated.
  • the mixing chamber 22 has an inlet opening 23 which is in fluid communication with the feed channel 6, so that a liquid sample can flow into the rotation axis remote reagent chamber 13 a.
  • the near-axis reagent chamber 13b is in fluid contact with the vent passage 10 via an air outlet 33, so that air escapes from the reagent chamber assembly and the mixing chamber 22.
  • FIG. 2a shows a section along the line IIA FIG. 1 through the two reagent chambers 13a, 13b.
  • the reagent chambers 13a, 13b are preferred formed hemispherical, wherein the open opening surface of the hemispheres 24 is completed by the cover layer.
  • the reagent chambers 13 are rounded at their bottom so that no sharp edges occur.
  • the transitions to the connecting channels are preferably not rounded but sharp-edged, so that a backflow of the liquid from the connecting channel into the (hemispherical) reagent chamber 13 is prevented.
  • a sharp edge 25 is formed, wherein the edge 25 preferably includes an angle of 90 °. In this way, a kind of overflow protection is formed, since the edge represents a physical barrier for the further transport of the liquid.
  • the reagents present in liquid form are introduced into the open test carrier 3 without cover layer, for example by pipetting.
  • the sharp edges then serve as boundaries that prevent creeping of the liquid reagents during drying.
  • the structure thus becomes more independent of disturbing effects during automatic processing during drying.
  • the surface enlargement by the edges 25 can also have an elongating effect on the mixing time when mixing or dissolving the dry reagents.
  • An overflow protection 26 adjoins the reagent chambers 13 at the upper edge, which prevents reagents from escaping from the mixing chamber 22.
  • FIG. 2b shows the section through the channel structure 2 FIG. 2a
  • the reagent chambers 13 and the mixing chamber 22 is here designed so that the depth t of the overflow protection 26 forms about one third of the depth T of the mixing channel 22.
  • the depth t of the overflow protection 26 is about 400 microns.
  • Two-thirds of the depth T of the mixing channel 22 is formed by the reagent chambers 13.
  • the dried reagent 35 covers the bottom and the inner surfaces of the hemispheres 24, wherein the filling height h of the dry reagent 35 at the bottom corresponds approximately to half the height H of the hemisphere 24.
  • the reagent 35 continues to flow up during the drying; it is, however, by the physical Barrier and the edge 25 prevented from further creeping over the web 27 formed between the two chambers 13 a, 13 b.
  • the web 27 preferably extends between two adjacent reagent chambers 13 in the direction of the cover layer 34 and thus separates the two reagent chambers 13a, 13b of the mixing chamber 22.
  • Figure 2c shows a three-dimensional view in the area of the line IIc FIG. 1 through the connecting channels 14 of the channel structure 2.
  • the feed channel 6 has a backstop 28, which is designed as a microfluidic valve 29.
  • the depth of the feed channel 6 from the surface 30 of the microfluidic element 1 is significantly less than the depth of the connecting channels 14 and the depth of the rotational axis remote reagent chamber 13 a.
  • the depth of the feed channel is about 150 microns.
  • a liquid flowing into the overflow protection 26 of the mixing chamber 22 by rotational force from the feed channel 6 flows via the edge 25 into the hemispherical reagent chamber 13a.
  • the liquid that has flowed in is moved in the reagent chamber 13a and thus dissolves the dry reagent (not shown here).
  • connection channels 14a, 14b and 14c When another liquid flows in, it is also conducted through the connection channels 14a, 14b and 14c into the further reagent chambers 13 (not shown).
  • the transitions into the capillary connection channels 14a, 14b, 14c, which are formed by the hemisphere 24, are preferably not smaller than 0.4 ⁇ 0.4 mm in cross section (or their diameter is not smaller than 0.4 mm) and may later taper gradually.
  • the capillary force exerted is so great that an overflow (“crosstalk"), in particular of the liquid reagents, before drying out occurs.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a test carrier 3, with five identical channel structures 2.
  • the feed channel 6 also has a U-shaped channel section 7 and a straight channel section 8.
  • the mixing chamber 22 also has a venting channel 10 with a vent 11 at its end close to the axis of rotation.
  • the channel structure 2 is designed as an analysis function channel 15 and comprises a measuring chamber 16.
  • FIG. 4 shows a detailed drawing of the mixing chamber 22 with the three series-connected reagent chambers 13a, b, c and two connecting channels 14, namely a respective central connecting channel 14a and a lateral (rotation axis near) connecting channel 14b.
  • the mixing chamber 22 preferably has a rotational axis-near inlet opening 23, through which liquid from the feed channel 6 enters the mixing chamber 22.
  • a capillary transport channel 31 is preferably arranged on the long axis of the mixing chamber 22 remote from the axis of rotation.
  • the transport channel 31 extends laterally and radially outward on the series-arranged reagent chambers 13. Its depth (viewed from the surface 30 of the test carrier 3 from) is about 150 to 200 microns less than the depth of the connecting channels.
  • the incoming liquid is passed through the transport channel 31 into the reagent chamber 13a.
  • the venting channel 10 is wider than the feed channel 8 and as the connecting channels 14 between the reagent chambers 13. In this way, a smaller capillary force is generated by the venting channel 10, so that no liquid penetrates into the venting channel 10.
  • the venting channel 10 is always arranged close to the axis of rotation so that the liquid can not pass from the reagent chambers 13 into the venting channel 10 during the rotation.
  • the connecting channel 14b on the outside of the mixing chamber 22 is generally used for filling the other reagent chambers 13 with the liquid. Due to the centrally arranged connecting channel 14a, the air contained in the chambers escapes during the filling process.
  • the arrangement according to the invention allows the liquids to be mixed even when the reagents are being dissolved, in particular when the reagents in the second and further reagent chambers 13 are being dissolved.
  • the degree of solubilization is therefore particularly high and effective.
  • the filling of the reagent chambers 13 of the mixing channel 22 is based on the FIGS. 5a to 5c explained in more detail.
  • Liquid entering the mixing chamber 22 is conducted past the capillary-active transport channel 31 past the two reagent chamber 13b, 13c near the axis of rotation and flows into the reagent chamber 13a remote from the axis of rotation (arrow direction).
  • the inflowing liquid is held by capillary action in the transport channel 31.
  • the liquid is then pressed at the end remote from the rotation axis of the mixing chamber 22 into the reagent chamber 13a and dissolves the dry reagent contained therein.
  • the reagent chambers have a single volume of 3 .mu.l, so that the three reagent chambers together have a volume of about 9 .mu.l.
  • the volumes of the individual reagent chambers 13 are preferably between 3 ⁇ l and 10 ⁇ l. Reagent chambers with a volume of 2 ⁇ l or only 1 ⁇ l are also conceivable, as well as reagent chambers 13 with a volume of 20 ⁇ l, 50 ⁇ l, 100 ⁇ l, 500 ⁇ l.
  • FIG. 6 shows a further preferred embodiment with a mixing chamber 22, in which two reagent chambers 13a, 13b are integrated. Again, a capillary transport channel 31 is provided, is guided by the liquid entering the mixing chamber 22 to the rotation axis remote reagent chamber 13 a.
  • the rounded reagent chambers 13, with the rounded bottoms, which are preferably formed as a hemisphere 24, not only provide for a homogeneous reagent application of the still liquid reagent. They also prove to be extremely suitable when the test carrier 3 is operated in a shake mode in which the rotational speed and direction of rotation are changed according to a preferably sawtooth-shaped control curve.
  • the reagent chambers 13 are preferably arranged adjacent to one another such that their distance is smaller than the smallest dimension of the reagent chambers 13 in the test carrier plane, rapid fluid transport from one chamber 13 to the other is also possible.
  • the smallest distance is defined in the context of the invention as the smallest distance between the reagent chambers 13 and between the Reagenzhuntau touchcardn.
  • At least the centrally located connecting channel 14a between two reagent chambers 13 is therefore shorter than the smallest dimension of the reagent chambers 13.
  • the central connecting channel 14a is about 0.2 mm long. Its width and depth are each 0.4 mm.
  • the reagent chambers 13 have a height of 1.4 mm.
  • the diameter of the reagent chambers is 1.95 mm.
  • This geometric arrangement is a fluid transport between two adjacent reagent chambers 13 unhindered possible. Through the short connection channels 14, the fluid can be quickly transported from one chamber to another. The transport takes place directly without intervening valve structures, siphon arrangements or siphon-like channel structures whose length is a multiple of the reagent chambers.
  • the process sequence with the reagent chambers according to the invention is very fast and saves time.
  • a controlled and defined dissolution of different dry reagents contained in individual reagent chambers 13 can be carried out.
  • test carrier 3 Due to the modular design with small reagent chambers 13, it is possible to provide test carrier 3, which are based on this principle arbitrarily expandable. So not only two or three, but also several chambers can be connected in series.
  • reagent chambers In addition to the round hemispherical reagent chambers, other forms of the reagent chambers are possible, for example, drop-shaped reagent chamber forms or when using two reagent chambers, which are integrated in a mixing chamber 22 z. B. so-called “yin-yang formations". Preferably, these reagent chambers are rounded.
  • FIG. 7 shows a star-shaped arrangement of three reagent chambers 13 in a mixing chamber 22. Also in this arrangement, the rotation axis remote mixing chamber 13a is filled via the transport channel 31 first. If further liquid flows in, then the two reagent chambers 13b, 13c closer to the axis of rotation are filled together. Between the reagent chambers 13a and 13b, only a central connection channel 14a is provided, since the capillary transport channel 31 serves as a second connection channel 14b.
  • FIGS. 8a and 8b Three-dimensional views of such a star-shaped reagent chamber arrangement are shown. Clearly visible are the rounded connection channels 14 between the reagent chambers 13 and the rounded hemispherical reagent chambers 13 themselves. In this embodiment, it can be seen that the transport channel 31 also functions fluidically as a connecting channel 14.
  • FIG. 9 shows that even a star-shaped or circular arrangement of reagent chambers 13 can be extended.
  • six reagent chambers 13 can be interconnected fluidically, whereby the principle is maintained that the rotor axis furthest reagent chamber 13a is filled first. A filling of the other chambers then starts from the rotation axis remote chamber 13a.
  • the very compact and small arrangement obtained has the advantage that a plurality of cascaded channel structures 2 can be arranged on a test carrier 3.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Körperflüssigkeitsprobe auf einen darin enthaltenen Analyten mit einem Substrat (5) und einer von dem Substrat (5) und einer Deckschicht umschlossenen Kanalstruktur (2), das um eine Rotationsachse rotierbar ist. Die Kanalstruktur (2) des mikrofluidischen Elements (1) schließt einen Zuführkanal (6) mit einer Zuführöffnung (9), einen Entlüftungskanal (10) mit einer Entlüftungsöffnung (11) und wenigstens zwei Reagenzkammern (13) ein. Die Reagenzkammern (13) sind über zwei Verbindungskanäle (14) derart miteinander verbunden, dass ein Fluidaustausch zwischen den Reagenzkammern (13) möglich ist, wobei eine der Reagenzkammern (13) eine Einlassöffnung (23) aufweist, die in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal (6) steht, so dass eine Flüssigkeitsprobe in die rotationsachsenferne Reagenzkammer (13a) fließen kann. Wenigstens eine der Reagenzkammern (13) enthält ein Reagenz (35), das mit der Flüssigkeitsprobe reagiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Element zur Bestimmung eines Analyten in einer Flüssigkeitsprobe, bevorzugt in einer Körperflüssigkeitsprobe. Das Element umfasst ein Substrat und eine Kanalstruktur, die von dem Substrat und einer Deckschicht umschlossen wird.
  • Mikrofluidische Elemente zum Analysieren einer Flüssigkeitsprobe und zum Durchmischen einer Flüssigkeit mit einem Reagenz werden in diagnostischen Tests (In-Vitro-Diagnostik) eingesetzt. Bei diesen Tests werden Körperflüssigkeitsproben auf einen darin enthaltenen Analyten für medizinische Zwecke untersucht. Der Begriff Durchmischen umfasst dabei sowohl die Möglichkeit, dass das Reagenz in flüssiger Form vorliegt, dass also zwei Flüssigkeiten miteinander gemischt werden. Daneben umfasst der Begriff die Möglichkeit, dass das Reagenz als Feststoff vorliegt und in einer Flüssigkeit aufgelöst und homogenisiert wird. In vielen Anwendungsfällen wird das feste Trockenreagenz in flüssiger Form in das fluidische Element eingebracht und in einem weiteren Schritt getrocknet, bevor das Element zur Analyse verwendet wird. Ein wichtiger Bestandteil bei der Analyse sind Testträger, auf denen mikrofluidische Elemente mit Kanalstrukturen zur Aufnahme einer Flüssigkeitsprobe vorhanden sind, um die Durchführung aufwendiger und mehrstufiger Testführungen ("Testprotokolle") zu ermöglichen. Ein Testträger kann ein oder mehrere fluidische Elemente umfassen.
  • Testträger und fluidische Elemente bestehen aus einem Trägermaterial, üblicherweise aus einem Substrat aus Kunststoffmaterial. Geeignete Materialien sind beispielsweise COC (Cyclo-Olefin-Copolymer) oder Kunststoffe wie PMMA, Polycarbonat oder Polystyrol. Die Testträger weisen einen Probenanalysekanal auf, der von dem Substrat und einem Deckel oder einer Deckschicht umschlossen wird. Der Probenanalysekanal besteht häufig aus einer Aufeinanderfolge mehrerer Kanalabschnitte und dazwischen liegender im Vergleich zu den Kanalabschnitten erweiterter Kammern. Die Strukturen und Dimensionen des Probenanalysekanals mit seinen Kammern und Abschnitten werden durch eine Strukturierung von Kunststoffteilen des Substrats definiert, die beispielsweise durch Spritzgießtechniken oder andere Verfahren zur Herstellung von geeigneten Strukturen erzeugt werden. Auch ist es möglich, die Struktur durch materialabtragende Verfahren wie beispielsweise Fräsen einzubringen.
  • Fluidische Testträger werden beispielsweise bei immunchemischen Analysen mit einem mehrstufigen Testablauf verwendet, bei dem eine Trennung von gebundenen und freien Reaktionsbestandteilen stattfindet. Dazu ist ein gesteuerter Flüssigkeitstransport notwendig. Die Steuerung des Prozessablaufs kann mit internen (innerhalb des fluidischen Elements) oder mit externen (außerhalb des fluidischen Elements) Maßnahmen erfolgen. Die Steuerung kann auf der Anwendung von Druckunterschieden oder auch der Änderung von Kräften basieren, beispielsweise aus der Änderung der Wirkrichtung der Schwerkraft resultieren. Bei auftretenden Zentrifugalkräften, die auf einen rotierenden Testträger einwirken, kann eine Steuerung durch Änderung der Rotationsgeschwindigkeit oder der Drehrichtung oder durch den Abstand von der Drehachse vorgenommen werden.
  • Analysesysteme mit derartigen Testträgern sind beispielsweise aus folgenden Publikationen bekannt:
  • Zur Durchführung der Analysen enthält der Probenanalysekanal der mikrofluidischen Elemente zumindest ein Reagenz, das mit einer in den Kanal eingebrachten Flüssigkeit reagiert. Die Flüssigkeit und das Reagenz werden in dem Testträger miteinander so vermischt, dass eine Reaktion der Probenflüssigkeit mit dem Reagenz zu einer Änderung einer Messgröße führt, die für den in der Flüssigkeit enthaltenen Analyten charakteristisch ist. Die Messgröße wird an dem Testträger selbst gemessen. Gebräuchlich sind optisch auswertbare Messverfahren, bei denen eine Farbänderung oder eine andere optisch messbare Größe detektiert werden.
  • Für die Durchführung der Analyse ist es entscheidend, dass das in getrockneter Form vorliegende Reagenz von der Probenflüssigkeit gelöst und mit dieser durchmischt wird. Im Stand der Technik werden einige Anstrengungen unternommen, um das Durchmischen zu optimieren. Beispielsweise wird bei rotierenden Testträgern, die in einem Analysesystem um eine Rotationsachse gedreht werden, das Durchmischen durch schnelle Änderungen der Drehrichtung gefördert. Dieser entstehende "Schüttel-Modus" (Shake-Mode) ist in einer besonderen Ausprägung beispielsweise bei Markus Grumann, "Readout of Diagnostic Assays on a Centrifugal Microfluidic Platform", (Dissertation Universität Freiburg, 2005, URN (NBN): urn:nbn:de:bsz:25-opus-22723), beschrieben.
  • Weitere bekannte Methoden zur Verbesserung des Durchmischens von Probenflüssigkeit und Reagenz umfassen das Einbringen von Magnetpartikeln, die durch Einwirken eines Elektro- oder Permanentmagneten in Bewegung versetzt werden. Durch die Integration der Partikel steigt der Aufwand bei der Herstellung der Testträger. Zusätzlich müssen die Analysesysteme über weitere Komponenten, nämlich den Magneten, verfügen und wird deshalb teuer.
  • Andere Methoden schließen z. B. Elemente ein, deren Kapillarkanäle spezielle Strömungshindernisse enthalten. Die Herstellung derartiger Hindernisse, wie zum Beispiel Rippen, müssen in der Mikrostruktur ausgebildet werden und sind deshalb teuer und erschweren den Herstellungsprozess des Testträgers. Außerdem eignen sich solche Strukturen nicht für alle Mischprozesse bzw. nicht für alle Reagenzien und Probenflüssigkeiten.
  • Trotz der vielfältigen Bemühungen, Mischvorgänge in mikrofluidischen Elementen, insbesondere das Durchmischen von getrockneten festen Reagenzien und Probenflüssigkeiten zu verbessern, besteht weiterer Bedarf an einem mikrofluidischen Element bzw. Testträger, bei dem das Durchmischen insbesondere von kleinen Probenflüssigkeiten verbessert ist. Des Weiteren soll das fluidische Element geeignet sein, um gleichzeitig unterschiedliche Reagenzien, die getrennt eingebracht sind und sich z. B. an unterschiedlichen räumlichen Stellen befinden, anzulösen und die Probenflüssigkeit mit unterschiedlichen Reagenzien reagieren zu lassen.
  • Gelöst wird das bestehende Problem durch ein mikrofluidisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Im Folgenden wird die Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf einen Testträger zur Analyse einer Körperflüssigkeitsprobe auf einen darin enthaltenen Analyten ohne Einschränkung der Allgemeinheit eines mikrofluidischen Elements beschrieben und erläutert. Neben Körperflüssigkeiten können auch andere Probenflüssigkeiten analysiert werden.
  • Im Rahmen der Erfindung wird unter einem mikrofluidischen Element ein Element mit einer Kanalstruktur verstanden, bei dem die kleinste Dimension der Kanalstruktur mindestens 1 µm und dessen größte Dimension (beispielsweise Länge des Kanals) höchstens 10 cm beträgt. Aufgrund der kleinen Dimensionen und der kapillaren Kanalstrukturen herrschen in den Kanälen bzw. Kanalabschnitten vorwiegend laminare Strömungsverhältnisse. Die daraus resultierenden schlechten Bedingungen für ein Durchmischen von Flüssigkeit und Feststoff in solchen Kapillarkanälen werden durch das erfindungsgemäße mikrofluidische Element deutlich verbessert.
  • Das mikrofluidische Element rotiert um eine Rotationsachse. Die Rotationsachse erstreckt sich bevorzugt durch das mikrofluidische Element. Sie verläuft durch eine vorbestimmte Position, bevorzugt z. B. durch den Schwerpunkt oder den Mittelpunkt des Elements. In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Rotationsachse senkrecht zur Oberfläche des fluidischen Elements, das bevorzugt eine flache, scheibenartige Form hat und z. B. eine runde Scheibe sein kann. Dazu ist das mikrofluidische Element beispielsweise in einer Halterung eines Analysegeräts gehalten, wobei die Rotationsachse von einer Drehwelle des Geräts gebildet wird. Durch eine entsprechende Strukturierung eines Substrats des Elements wird eine Kanalstruktur gebildet, die einen Zuführkanal mit einer Zuführöffnung und einen Entlüftungskanal mit einer Entlüftungsöffnung sowie wenigstens zwei Reagenzkammern umfasst. In wenigstens einer der Reagenzkammern ist ein Reagenz enthalten, das bevorzugt in fester Form als Trockenreagenz vorliegt und das mit der Flüssigkeitsprobe, die in die Kanalstruktur eingebracht wird, reagiert. Je zwei benachbarte Reagenzkammern sind über wenigstens zwei Verbindungskanäle derart miteinander verbunden, dass ein Fluidaustausch zwischen den beiden Reagenzkammern ermöglicht wird. Dabei hat eine der Reagenzkammern eine Einlassöffnung, die so in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal steht, dass eine Flüssigkeitsprobe aus dem Zuführkanal in die Reagenzkammern einströmen kann.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass - im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten mikrofluidischen Elementen - mit den über wenigstens zwei Verbindungskanäle verbundenen Reagenzkammern mehrstufiger Reaktionsführungen möglich sind und die Anordnung vielfältige Kontrollmöglichkeiten bietet. Insbesondere ermöglicht die Anordnung, unterschiedliche Reagenzien, die getrennt voneinander eingebracht wurden, ohne sich beim Eintrocknen zu vermischen, in einem einzigen Prozessschritt aufzulösen, wobei das Auflösen fluidisch nicht behindert wird.
  • Die wenigstens zwei Verbindungskanäle zwischen den beiden Reagenzkammern ermöglichen einen ungehinderten und schnellen Fluidaustausch. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mehr als zwei Verbindungskanäle vorteilhaft sind. Besonders bevorzugt werden drei Verbindungskanäle eingesetzt, die z. B. im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein können. Die Reagenzkammern werden durch die beiden Verbindungskanäle fluidisch derart hintereinander geschaltet, dass eine Fluid-Reihenschaltung entsteht. Die Reagenzkammern sind geometrisch eigenständige Komponenten und weisen ein eigenes Aufnahmevolumen auf. Fluidisch sind sie jedoch eine einzige Fluidkammer. Somit werden die positiven Eigenschaften von Einzelreagenzkammern mit den Eigenschaften einer einzigen Fluidkammer kombiniert. Die festen Trockenreagenzien werden in flüssiger Form in die Kammern eingebracht und dann getrocknet. Dieses Eintrocknen geschieht entweder durch Erhitzen oder durch ein Gefrieren, dass bevorzugt bei Temperaturen von unter -60 °C, besonders bevorzugt bei ca. -70 °C stattfindet. Bevorzugt ist der Testträger, um das Eintrocknen des flüssigen Reagenz zu verbessern, vorgekühlt. Insbesondere bei "tensidhaltigen" Reagenzien wird das "kalte Eintrocknen" durch Gefrieren bevorzugt.
  • Da die Reagenzkammern geometrisch voneinander getrennt sind, lassen sich in jede der Reagenzkammern unterschiedliche Reagenzien einbringen, ohne dass es zu einem Vermischen der Reagenzien vor oder während dem Eintrocknen kommt. Dies wird durch eine entsprechende geometrische Gestaltung der Reagenzkammern unterstützt. Beispielsweise können die Kammern durch scharfe Begrenzungen wie Stege oder Kanten getrennt sein, um ein Durchmischen ("Crosstalk") durch Kriecheffekte zu verhindern. Die scharfkantigen Begrenzungen bilden zwar für den Transport des Fluids aus einer Reagenzkammer hinaus ebenfalls eine Barriere. Diese kann jedoch durch die auftretenden Kräfte (Zentrifugalkraft, hydrostatische Kraft) leicht überwunden werden. Durch die Möglichkeit, jede Kammer mit einem unterschiedlichen Reagenz zu befüllen, können in nur einem Prozessschritt mehrere (unterschiedliche) Reagenzien angelöst und homogenisiert werden.
  • Die Anordnung der Reagenzkammern der Kanalstruktur ist derart ausgebildet, dass eine der Kammern rotationsachsenferner angeordnet ist als die andere Kammer, d. h. der Abstand der einen Reagenzkammer von der Rotationsachse ist größer als der Abstand der anderen Kammer. Durch die Rotation des mikrofluidischen Elements wird die in die Kanalstruktur eingegebene Flüssigkeit zunächst in die rotationsachsenferne Kammer geleitet, so dass diese Kammer zuerst gefüllt und das in der Kammer angelagerte Reagenz gelöst wird. Die Flüssigkeit reagiert mit dem Reagenz. Dabei sind die Flüssigkeitsmenge und das Volumen der ersten Reagenzkammer aufeinander abgestimmt.
  • Erst wenn eine größere Flüssigkeitsmenge in die Kanalstruktur gegeben wird bzw. aus dem Zuführkanal in die Reagenzkammern einströmt, wird auch die zweite (und mögliche weitere rotationsachsennähere) Reagenzkammer gefüllt. Auf diese Weise können auch Reagenzien mit kleinen Probenmengen sehr gut gelöst werden. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass in vollständig gefüllten Reagenzkammern ein Lösen der Reagenzien zuverlässiger, vollständiger und schneller erfolgt als in nur teilgefüllten Kammern. Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Reagenzkammern mit relativ kleinen Teilvolumen, z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 etc. Kammern, kann eine gute Durchmischung für eine große Zahl unterschiedlicher Volumen erzielt werden. Beispielsweise können drei oder fünf der z. B. 12 Reagenzkammern mit dem zu untersuchenden Volumen gefüllt werden, wobei alle Kammern vollständig gefüllt sind. Wenn alle Reagenzkammern mit dem gleichen Reagenz bzw. der gleichen Zusammensetzung von Reagenzien gefüllt sind, kann auf diese Weise für unterschiedliche Volumina an Probenflüssigkeit eine sehr gute Durchmischung mit den Reagenzien erzielt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die jeweils zwei (oder mehreren) Verbindungskanäle zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern parallel angeordnet. Die beabstandeten (getrennten) Verbindungskanäle werden bevorzugt durch gerade Kanalabschnitte gebildet. Bevorzugt ist die Länge wenigstens eines der Verbindungskanäle kleiner als die kleinste Dimension der Reagenzkammern in Testträgerebene (Ebene quer zur Rotationsachse).
  • Vorteilhafterweise ist einer der wenigstens zwei Verbindungskanäle zwischen benachbarten Reagenzkammern zentral angeordnet. Er fluchtet mit den Zentren der beiden Reagenzkammern, die er verbindet. Bevorzugt ist der (andere) Verbindungskanal derart seitlich mit den Reagenzkammern verbunden, dass er außerhalb der die Zentren verbindenden Zentralachse verläuft. Besonders bevorzugt ist er tangential an den Reagenzkammern angeordnet, dass seine Außenseite (Außenwand) mit den Außenwänden der Reagenzkammern fluchtet. Bevorzugt ist der zentrische Verbindungskanal breiter (er hat einen größeren Querschnitt bei gleicher Kanalhöhe) als der seitlich angeordnete Kanal.
  • Die Verbindungskanäle zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern sind so ausgebildet, dass beim Befüllen der Reagenzkammeranordnung die Flüssigkeit durch die Verbindungskanäle von der einen Kammer in die zweite fließen kann. Gleichzeitig kann die in der noch nicht befüllten Kammer enthaltene Luft durch einen der beiden Kanäle entweichen, bevorzugt durch den zentrischen Verbindungskanal.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit drei Verbindungskanälen zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern. Dabei erstreckt sich ein Verbindungskanal entlang der Zentralachse, die die Zentren von zwei benachbarten Reagenzkammern verbindet. Dieser bevorzugt mittig angeordnete Verbindungskanal dient zum Entlüften der Reagenzkammern beim Befüllen mit Flüssigkeit. Die beiden anderen Verbindungskanäle sind bevorzugt tangential an den Reagenzkammern angeordnet. Durch diese Verbindungskanäle werden die Reagenzkammern mit Flüssigkeit gefüllt bzw. strömt die Flüssigkeit von der einen Kammer in die benachbarte zweite Kammer ein.
  • Bei einer Anordnung eines fluidischen Elements mit drei oder mehr Reagenzkammern sind die wenigstens zwei Verbindungskanäle (bevorzugt drei Verbindungskanäle) jeweils zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern angeordnet.
  • Die erfindungsgemäße Kanalstruktur mit wenigstens zwei Reagenzkammern, die durch wenigstens zwei Verbindungskanäle direkt miteinander verbunden sind, bietet eine hohe Flexibilität, eine platzsparende und kompakte Anordnung sowie eine Reihe von funktionalen Vorteilen:
    1. 1. Mit zwei miteinander verbundenen Reagenzkammern ist eine zweistufige Reaktionsführung möglich. In einem ersten Schritt wird dabei eine Flüssigkeitsmenge, die dem Volumen der ersten Reagenzkammer entspricht, in die erste, rotationsachsenferne Reagenzkammer geleitet. Das darin enthaltene Trockenreagenz wird aufgelöst, so dass die erste Reaktion stattfinden kann. In einem weiteren Schritt wird eine zweite Flüssigkeitsteilmenge in die Anordnung der Reagenzkammern gefüllt, wobei die zweite Teilmenge dem Volumen der zweiten Reagenzkammer entspricht. Diese zweite Teilmenge der Flüssigkeit kann beispielsweise ein Puffermedium sein. Der Füllvorgang findet dadurch statt, dass die zusätzliche zweite Teilmenge durch die Zentrifugalkraft zunächst in die erste Kammer gedrückt wird und sich mit dem dort vorhandenen Fluid vermischt und erst dann in die zweite Reagenzkammer strömt. Durch eine entsprechende Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit und Rotationsrichtung beginnt ein Mischvorgang, bei dem das Reagenz in der zweiten Reagenzkammer aufgelöst wird und eine zweite Reaktion mit dem zweiten Reagenz stattfindet. Da bei dem Anlösen jeweils beide Reagenzkammern vollständig gefüllt sind, wird eine gute Homogenisierung und Durchmischung in den unterschiedlichen Phasen in jeweils beiden Kammern erzielt.
    2. 2. Die Reagenzkammeranordnung bietet den Vorteil, dass ein optimiertes Anlösen eines Trockenreagenz in der rotationsachsenfernen ersten Kammer dadurch stattfindet, dass diese Kammer jeweils von dem gesamten Füllvolumen mehrfach, beim Vorhandensein von zwei Reagenzkammern zweifach durchströmt wird. Zunächst findet ein Durchströmen der ersten Reagenzkammer beim Füllen der Kammer statt. Das zweite Durchströmen findet beim Entleeren der Struktur statt. Auf diese Weise wird eine besonders gute Auflösung der Trockenreagenzien erzielt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass auch die beim Eintrocknen von Reagenzien entstehenden Agglomerate, die durch die Zentrifugalkraft radial nach außen in die erste Kammer gedrückt werden, beim anschließenden Entleeren mit dem Fluid aus den radial innen liegenden Kammern "nachgespült" werden. Verluste an der Innenoberfläche der ersten Reagenzkammer werden vermieden.
    3. 3. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich auf einfache Weise Verdünnungsreihen realisieren. Da die Anordnung der Reagenzkammern eine sehr kompakte Kanalstruktur ermöglicht, können auf einem Testträger mehrere Kanalstrukturen ausgebildet sein. Zur Durchführung einer Verdünnungsreihe wird in den parallel angeordneten Kanalstrukturen jeweils nur die rotationsachsenferne erste Reagenzkammer mit Reagenzien bestückt. Zur Durchführung einer Verdünnungsreihe werden die parallelen Strukturen mit unterschiedlichen Volumina gefüllt, so dass für eine definierte Reagenzmenge unterschiedliche Verdünnungen in nur einem Prozessschritt erzeugt werden können. Der Vorteil einer derartigen sequentiellen Mikroreaktorkaskade mit einer so genannten Perlenkettenstruktur (Reihenschaltung von mehreren Kammern) liegt darin, dass die komplette Reaktion mit variablen Volumina durchgeführt werden kann, ohne Änderungen in der Geometrie der Kanalstruktur vornehmen zu müssen. Dabei ist das geringste Volumen der Probenflüssigkeit so groß wie das Volumen der ersten Reagenzkammer. Bevorzugt sind die zu untersuchenden Volumina ein Vielfaches der vorzugsweise gleichen Volumina der einzelnen Reagenzkammern.
    4. 4. Ein weiterer Vorteil der Reagenzkammerstruktur liegt darin, dass die einzelnen Reagenzkammern auf die zu untersuchenden Teilvolumina abgestimmt sein können. Im Rahmen der Erfindung wurde bei Untersuchungen zum Anlöse- und Mischverhalten erkannt, dass bei vollständig gefüllten Kammern die Mischvorgänge optimiert ablaufen. Steht beispielsweise in einem ersten Befüllungsschritt nur eine Teilmenge des Fluids zur Verfügung, beispielsweise ein Verdünnungspuffer, der erst später mit einer Probenflüssigkeit aufgefüllt wird, so würde in einem "Ein-Kammer-System" die Homogenisierung mit der ersten Teilmenge nur sehr schlecht ablaufen, da Lufteinschlüsse gebildet werden würden. In einer Reagenzkammeranordnung mit mehreren Reagenzkammern sind die Kammern jeweils auf das Teilvolumen der zu untersuchenden Flüssigkeit ausgelegt und ermöglichen so ein optimiertes Anlösen und Mischen, da die einzelne Reagenzkammer von dem Flüssigkeitsteilvolumen komplett gefüllt wird. Auch ein Schäumen der Lösung wird verhindert.
  • Um die Mischvorgänge in der Reagenzkammeranordnung weiter zu verbessern umfasst die Kanalstruktur in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mischkammer, in der die Reagenzkammern und die Verbindungskanäle zwischen den Reagenzkammern integriert sind. Auf diese Weise werden die Eigenschaften der einzelnen Reagenzkammern mit den Eigenschaften einer fluidischen Einzelkammer noch besser kombiniert. Bevorzugt sind die Reagenzkammern in der Mischkammer derart in radialer Richtung in Reihe angeordnet, dass die Reihe der Kammern einen Winkel von maximal 80° zur Radialrichtung, besonders bevorzugt von maximal 60°, einschließt. Unter Radialrichtung ist dabei eine Gerade zu verstehen, die sich von der Rotationsachse des mikrofluidischen Elements bzw. des Testträgers nach außen erstreckt. Die Reagenzkammern müssen folglich nicht direkt radial nach außen gerichtet sein, sondern können einen Winkel zur Radialrichtung einschließen, der von 90° verschieden ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Reagenzkammern so ausgebildet, dass ein Befüllen mit einer Flüssigkeit und das Anlösen eines in der Reagenzkammer enthaltenen festen Trockenreagenz erfolgt, ohne dass die Flüssigkeit in die benachbarte Reagenzkammer strömt. Solange die Flüssigkeitsmenge das Volumen der Reagenzkammer nicht überschreitet, verbleibt die Flüssigkeit in der Reagenzkammer, in die sie einströmt. Dies ist beim ersten Befüllen stets die rotationsachsenferne Reagenzkammer. In der Regel weist sie deshalb die Einlassöffnung auf, die in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal derart steht, dass eine Flüssigkeitsprobe in die rotationsachsenferne Reagenzkammer fließen kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten besonderen Ausführungsformen näher erläutert. Die dort dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Zur Verdeutlichung von Details stimmen die dargestellten Proportionen der einzelnen Komponenten teilweise nicht überein. Die beschriebenen Ausführungen stellen keine Einschränkung der durch die Ansprüche in ihrer Allgemeinheit definierten Erfindung dar. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein als Testträger ausgebildetes mikrofluidisches Element mit drei identischen Kanalstrukturen;
    Fig. 2a, b, c
    Schnittbilder durch eine Kanalstruktur aus Fig. 1;
    Fig. 3
    einen alternativen Testträger;
    Fig. 4
    eine Detailzeichnung einer Kanalstruktur mit drei Reagenzkammern;
    Fig. 5
    Detailzeichnungen einer Kanalstruktur mit drei Reagenzkammern beim Befüllen;
    Fig. 6
    eine Ausführungsform mit zwei Reagenzkammern;
    Fig. 7
    eine Ausführungsform mit drei Reagenzkammern;
    Fig. 8
    eine perspektivische Ansichten der Anordnung aus Fig. 7;
    Fig. 9
    eine Anordnung mit sechs Reagenzkammern.
  • Figur 1 zeigt ein mikrofluidisches Element 1 mit drei identisch aufgebauten Kanalstrukturen 2, die sich im Wesentlichen radial nach außen erstrecken.
    Das mikrofluidische Element 1 ist ein Testträger 3, der als runde Scheibe ausgebildet ist und durch den sich eine Rotationsachse 4 mittig erstreckt, um die der scheibenförmige Testträger 3 rotiert. Die Kanalstruktur 2 wird von einem Substrat 5 und einer nicht gezeigten Deckschicht umschlossen, die den Testträger 3 von oben abdeckt.
  • Das mikrofluidische Element 1 ist zum Einsatz in einem Analysegerät oder einem ähnlichen Gerät geeignet, dass eine Halterung aufweist, um das mikrofluidische Element aufzunehmen und rotieren zu lassen. Das Gerät ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das mikrofluidische Element um eine Drehwelle des Geräts rotiert wird, wobei die Achse der Drehwelle mit der Rotationsachse 4 des mikrofluidischen Elements 1 fluchtet. Dazu kann sich die Drehwelle des Geräts durch eine Bohrung 4a des Testträgers 3 erstrecken.
  • Die Kanalstruktur 2 des mikrofluidischen Elements 1 schließt einen Zuführkanal 6 ein, der einen U-förmigen Kanalabschnitt 7 und einen geraden Kanalabschnitt 8 umfasst. Am Ende der beiden U-Schenkel des U-förmigen Kanalabschnitts 7 ist je eine Zuführöffnung 9 vorgesehen, durch die eine Flüssigkeitsprobe, bevorzugt beispielsweise eine Körperflüssigkeit wie Blut, in den Zuführkanal 6 eingegeben werden kann. Beispielsweise kann eine Probenflüssigkeit von einem Bediener manuell (mit einer Pipette) in eine Zuführöffnung 9 dosiert werden. Alternativ kann der Zuführkanal auch mittels einer Dosierstation eines Analysegerätes mit einer Flüssigkeit bestückt werden. Beim Dosieren einer Flüssigkeit in den Zuführkanal 6 wird in die Flüssigkeit durch eine der beiden Zuführöffnungen 9 hineingegeben, während die in dem Kanal enthaltene Luft durch die zweite Zuführöffnung entweichen kann.
  • Die Kanalstruktur 2 umfasst weiter einen Entlüftungskanal 10 mit einer Entlüftungsöffnung 11 sowie zwei Reagenzkammern 13, die über drei Verbindungskanäle 14 so miteinander verbunden sind, dass ein Fluidaustausch zwischen den beiden Reagenzkammern 13 erfolgt. Die Kanalstruktur 2 ist in einer bevorzugten Ausführungsform nach Figur 1 als Analysefunktionskanal 15 ausgebildet, der eine Messkammer 16, einen Messkanal 17 zwischen der Messkammer 16 und den Reagenzkammern 13 sowie eine Waste-Kammer 18, die über einen Entsorgungskanal 19 mit der Messkammer 16 verbunden ist. Die als Sammelbecken 20 ausgebildete Waste-Kammer 18 weist ein Auslassventil 21 auf, durch die Luft aus der Kanalstruktur 2 entweichen kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform, wie z. B. in Figur 1 gezeigt, schließt die Kanalstruktur 2 eine Mischkammer 22 ein, in die die beiden Reagenzkammern 13 und die drei Verbindungskanäle 14 integriert sind. Die Mischkammer 22 hat eine Einlassöffnung 23, die in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal 6 steht, so dass eine Flüssigkeitsprobe in die rotationsachsenferne Reagenzkammer 13a einfließen kann. Die rotationsachsennahe Reagenzkammer 13b steht über einem Luftauslass 33 in Fluidkontakt mit dem Entlüftungskanal 10, so dass Luft aus der Reagenzkammeranordnung und der Mischkammer 22 entweichen.
  • Wird eine Flüssigkeit in den U-förmigen Kanalabschnitt 7 gegeben und deren Testträger 3 dann um die Rotationsachse 4 rotiert, so drückt die Zentrifugalkraft die Flüssigkeit durch den geraden Kanalabschnitt 8 des Zuführkanals 6 bis die Flüssigkeit die Mischkammer 22 durch die Einlassöffnung 23 erreicht. Die Flüssigkeit wird dann in der rotationsachsenfernen Reagenzkammer 13a gesammelt, bis sich diese gefüllt hat. Dabei wird ein in der Reagenzkammer 13a eingetrocknetes Trockenreagenz gelöst. Wird weiter Flüssigkeit in die Mischkammer 22 eingelassen, so fließt die Flüssigkeit nun durch die drei Verbindungskanäle 14 in die rotationsachsennähere Reagenzkammer 13b, wobei der radial am weitesten außen liegende Verbindungskanal 14 zuerst mit Flüssigkeit gefüllt wird. Die in der Mischkammer 22 enthaltene Luft entweicht durch einen Lufteinlass 33 in den Entlüftungskanal 10 nach außen.
  • Durch geeignete Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit, der Drehrichtung und der Beschleunigung kann ein optimiertes Anlösen der Reagenzien in den Reagenzkammern 13 erfolgen, was durch die verrundeten Reagenzkammern 13 unterstützt wird.
  • Figur 2a zeigt einen Schnitt entlang der Linie IIA aus Figur 1 durch die zwei Reagenzkammern 13a, 13b. Die Reagenzkammern 13a, 13b sind bevorzugt halbkugelförmig ausgebildet, wobei die offene Öffnungsfläche der Halbkugeln 24 von der Deckschicht abgeschlossen wird. Die Reagenzkammern 13 sind an ihrem Boden so verrundet, dass keine scharfen Kanten auftreten. Die Übergänge zu den Verbindungskanälen sind bevorzugt nicht abgerundet sondern scharfkantig, so dass ein Zurückfließen der Flüssigkeit aus dem Verbindungskanal in die (halbkugelförmige) Reagenzkammer 13 verhindert wird. An dem oberen Rand der Halbkugeln 24 ist eine scharfe Kante 25 ausgebildet, wobei die Kante 25 bevorzugt einen Winkel von 90° einschließt. Auf diese Weise wird eine Art Überlaufschutz gebildet, da die Kante eine physikalische Barriere für den Weitertransport der Flüssigkeit darstellt.
  • Um die Reagenzien in die Kammer zu bringen, werden in den offenen Testträger 3 ohne Deckschicht die in flüssiger Form vorliegenden Reagenzien eingebracht, beispielsweise durch Pipettieren. Die scharfen Kanten dienen dann als Begrenzung, die ein Kriechen der flüssigen Reagenzien während der Eintrocknung vermeiden. Die Struktur wird somit unabhängiger gegenüber Störeffekten während des automatischen Prozessierens bei der Eintrocknung. Die Oberflächenvergrößerung durch die Kanten 25 kann sich zudem verlängernd auf die Mischzeit beim Vermischen bzw. Auflösen der Trockenreagenzien auswirken. An die Reagenzkammern 13 schließt sich am oberen Rand ein Überlaufschutz 26 an, der verhindert, dass Reagenzien aus der Mischkammer 22 heraustreten können.
  • Figur 2b zeigt den Schnitt durch die Kanalstruktur 2 aus Figur 2a, jedoch mit dargestellten Trockenreagenzien 35 und Deckschicht 34. Die Reagenzkammern 13 und die Mischkammer 22 ist hier so ausgebildet, dass die Tiefe t des Überlaufschutz 26 etwa ein Drittel der Tiefe T des Mischkanals 22 bildet. Die Tiefe t des Überlaufschutzes 26 beträgt ca. 400 µm. Zwei Drittel der Tiefe T des Mischkanals 22 wird durch die Reagenzkammern 13 gebildet. Das eingetrocknete Reagenz 35 bedeckt den Boden und die Innenflächen der Halbkugeln 24, wobei die Füllhöhe h des Trockenreagenz 35 am Boden ca. der halben Höhe H der Halbkugel 24 entspricht. An den Rändern fließt das Reagenz 35 während der Eintrocknung weiter hinauf; es wird jedoch durch die physikalische Barriere und die Kante 25 von einem Weiterkriechen über den zwischen den beiden Kammern 13a, 13b gebildeten Steg 27 gehindert. Der Steg 27 erstreckt bevorzugt zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern 13 in Richtung zur Deckschicht 34 und trennt so die beiden Reagenzkammern 13a, 13b der Mischkammer 22.
  • Figur 2c zeigt eine dreidimensionale Ansicht im Bereich der Linie IIc aus Figur 1 durch die Verbindungskanäle 14 der Kanalstruktur 2. Der Zuführkanal 6 weist eine Rücklaufsperre 28 auf, die als mikrofluidisches Ventil 29 ausgebildet ist. Die Tiefe des Zuführkanals 6 von der Oberfläche 30 des mikrofluidischen Elements 1 ist deutlich geringer, als die Tiefe der Verbindungskanäle 14 und die Tiefe der rotationsachsenfernen Reagenzkammer 13a. Die Tiefe des Zuführkanals beträgt ca. 150 µm. Eine durch Rotationskraft aus dem Zuführkanal 6 in den Überlaufschutz 26 der Mischkammer 22 einfließende Flüssigkeit fließt über die Kante 25 in die halbkugelförmige Reagenzkammer 13a ein. Durch Rotation des Testträgers 3 wird die eingeflossene Flüssigkeit in der Reagenzkammer 13a bewegt und löst so das (hier nicht dargestellte) enthaltene Trockenreagenz an.
  • Beim Zuströmen weiterer Flüssigkeit wird sie durch die Verbindungskanäle 14a, 14b und 14c auch in die nicht dargestellten weiteren Reagenzkammern 13 geleitet. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass die von der als Halbkugel 24 ausgebildeten Reagenzkammer 13 abgehenden Übergänge in die kapillaren Verbindungskanäle 14a, 14b, 14c vorzugsweise nicht kleiner als 0,4 x 0,4 mm im Querschnitt (bzw. deren Durchmesser nicht kleiner als 0,4 mm) sein darf und sich erst später graduell verjüngen darf. Bei Verbindungskanälen 14 mit einem kleineren Querschnitt ist die ausgeübte Kapillarkraft so groß, dass ein Überlaufen ("Crosstalk"), insbesondere der flüssigen Reagenzien vor dem Eintrocknen, entsteht.
  • Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Testträgers 3, mit fünf identischen Kanalstrukturen 2. Der Zuführkanal 6 weist ebenfalls einen U-förmigen Kanalabschnitt 7 und einen geraden Kanalabschnitt 8 auf. Die Mischkammer 22 weist an ihrem rotationsachsennahen Ende ebenfalls einen Entlüftungskanal 10 mit einer Entlüftungsöffnung 11 auf. Auch in dieser Anordnung ist die Kanalstruktur 2 als Analysefunktionskanal 15 ausgebildet und umfasst eine Messkammer 16.
  • Figur 4 zeigt eine Detailzeichnung der Mischkammer 22 mit den drei in Reihe geschalteten Reagenzkammern 13a, b, c und je zwei Verbindungskanälen 14, nämlich je einen zentralen Verbindungskanal 14a und einen seitlichen (rotationsachsennahen) Verbindungskanal 14b. Die Mischkammer 22 weist bevorzugt eine rotationsachsennahe Einlassöffnung 23 auf, durch die Flüssigkeit aus dem Zuführkanal 6 in die Mischkammer 22 eintritt. Ein kapillarer Transportkanal 31 ist bevorzugt am rotationsachsenfernen langen Rand der Mischkammer 22 angeordnet. Der Transportkanal 31 verläuft seitlich und radial außen an den in Reihe angeordneten Reagenzkammern 13. Seine Tiefe (von der Oberfläche 30 des Testträgers 3 aus betrachtet) ist mit ca. 150 bis 200 µm geringer als die Tiefe der Verbindungskanäle. Die eintretende Flüssigkeit wird durch den Transportkanal 31 in die Reagenzkammer 13a geleitet.
  • Der Entlüftungskanal 10 ist breiter als der Zuführkanal 8 und als die Verbindungskanäle 14 zwischen den Reagenzkammern 13. Auf diese Weise wird von dem Entlüftungskanal 10 eine kleinere Kapillarkraft erzeugt, so dass keine Flüssigkeit in den Entlüftungskanal 10 dringt. Zudem ist der Entlüftungskanal 10 stets rotationsachsennah angeordnet, so dass die Flüssigkeit während der Rotation nicht aus den Reagenzkammern 13 in den Entlüftungskanal 10 gelangen kann. Der Verbindungskanal 14b an der Außenseite der Mischkammer 22 dient in der Regel zum Befüllen der weiteren Reagenzkammern 13 mit der Flüssigkeit. Durch den zentral angeordneten Verbindungskanal 14a entweicht die in den Kammern enthaltene Luft beim Befüllungsvorgang.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt ein Vermischen der Flüssigkeiten schon beim Anlösen der Reagenzien, insbesondere beim Anlösen der Reagenzien in der zweiten und weiteren Reagenzkammer 13. Der Grad des Anlösens ist deshalb besonders hoch und effektiv.
  • Das Befüllen der Reagenzkammern 13 des Mischkanals 22 wird anhand der Figuren 5a bis 5c näher erläutert. In die Mischkammer 22 eintretende Flüssigkeit wird über den kapillaraktiven Transportkanal 31 an den beiden rotationsachsennahen Reagenzkammern 13b, 13c vorbeigeleitet und fließt in die rotationsachsenferne Reagenzkammer 13a ein (Pfeilrichtung). Die einströmende Flüssigkeit wird dabei durch Kapillarwirkung in dem Transportkanal 31 gehalten. Während der Rotation des Testträgers 3 wird die Flüssigkeit dann am rotationsachsenfernen Ende der Mischkammer 22 in die Reagenzkammer 13a gedrückt und löst das dort enthaltene Trockenreagenz an. Sobald weitere Flüssigkeit nachfließt, wird diese durch den Transportkanal 31 in die Reagenzkammer 13a geleitet und von dort durch den zentralen Verbindungskanal 14a und den tangentialen Verbindungskanal 14b in die mittlere Reagenzkammer 13c geleitet, bis auch diese gefüllt ist. Beim weiteren Einströmen von Flüssigkeit aus dem Zuführkanal 6 wird schließlich auch die rotationsachsennahe Reagenzkammer 13b gefüllt, indem durch die zentrischen und tangentialen Verbindungskanäle 14a, b die Flüssigkeit einfließt. Die in den Reagenzkammern 13 enthaltene Luft entweicht durch den Luftauslass 33 und den Entlüftungskanal 10.
  • In dem Beispiel weisen gemäß den Figuren 4 und 5 die Reagenzkammern ein Einzelvolumen von 3 µl auf, so dass die drei Reagenzkammern gemeinsam ein Volumen von ca. 9 µl haben. Bevorzugt liegen die Volumina der einzelnen Reagenzkammern 13 zwischen 3 µl und 10 µl. Reagenzkammern mit einem Volumen von 2 µl oder nur 1 µl sind ebenfalls denkbar, genauso Reagenzkammern 13 mit einem Volumen von 20 µl, 50 µl, 100 µl, 500 µl.
  • Figur 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit einer Mischkammer 22, in der zwei Reagenzkammern 13a, 13b integriert sind. Auch hier ist ein kapillarer Transportkanal 31 vorgesehen, durch den in die Mischkammer 22 eintretende Flüssigkeit zu der rotationsachsenfernen Reagenzkammer 13a geführt wird. Die verrundeten Reagenzkammern 13, mit den gerundeten Böden, die bevorzugt als Halbkugel 24 ausgebildet sind, sorgen nicht nur für eine homogene Reagenzapplikation des noch flüssigen Reagenz. Sie erweisen sich auch als äußerst geeignet, wenn der Testträger 3 in einem Shake-Mode betrieben wird, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit und Drehrichtung gemäß einer bevorzugt sägezahnförmigen Ansteuerungskurve verändert wird. Bei diesem als "Euler-Mischen" bekannten Verfahren, dass eine gute Homogenisierung und Auflösung der Trockenreagenzien garantiert, kann durch die verrundete Geometrie das Vermischen weiter gesteigert werden. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der effektivste Austausch und das effektivste Durchmischen an den Rändern und Wänden der Reagenzkammern 13 stattfindet. Bevorzugt sind deshalb in wenigstens einer der zwei benachbarten Reagenzkammern 13 die Verbindungskanäle 14 randlagig, z. B. tangential zu den Reagenzkammern 13, angeordnet. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindungskanäle 14 ohne Kantenübergänge an den Reagenzkammern 13 anzuformen.
  • Darüber hinaus wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass mehrere Reagenzkammern mit Verbindungskanälen während des "Euler-Mischens" das Fluid durch die Verbindungskanäle 14 von Kammer 13 zu Kammer 13 transportiert und in Kombination mit den gerundeten Flächen ein diffuser Austausch und eine gute Mischeffizienz geschaffen werden kann.
  • Da die Reagenzkammern 13 bevorzugt derart benachbart angeordnet sind, dass ihr Abstand kleiner ist als die kleinste Dimension der Reagenzkammern 13 in der Testträgerebene, ist auch ein schneller Fluidtransport von einer Kammer 13 in die andere möglich. Der kleinste Abstand wird im Rahmen der Erfindung definiert als die kleinste Entfernung zwischen den Reagenzkammern 13 bzw. zwischen den Reagenzkammeraußenwänden. Wenigstens der zentral gelegene Verbindungskanal 14a zwischen zwei Reagenzkammern 13 ist deshalb kürzer als die kleinste Dimension der Reagenzkammern 13. In dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist der zentrale Verbindungskanal 14a etwa 0,2 mm lang. Seine Breite und Tiefe ist jeweils 0,4 mm. Die Reagenzkammern 13 haben eine Höhe von 1,4 mm. Der Durchmesser der Reagenzkammern beträgt 1,95 mm. Durch diese geometrische Anordnung ist ein Fluidtransport zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern 13 ungehindert möglich. Durch die kurzen Verbindungskanäle 14 kann das Fluid schnell von einer Kammer zur anderen transportiert werden. Der Transport geschieht direkt ohne dazwischen liegende Ventilstrukturen, Heberanordnungen oder siphonartige Kanalstrukturen, deren Länge ein Mehrfaches der Reagenzkammern beträgt. Hierdurch ist der Prozessablauf mit den erfindungsgemäßen Reagenzkammern sehr schnell und spart Zeit. Es lassen sich außerdem eine gesteuerte und definierte Auflösung von unterschiedlichen Trockenreagenzien, die in einzelnen Reagenzkammern 13 enthalten sind, durchführen.
  • Durch den modularen Aufbau mit kleinen Reagenzkammern 13, ist es möglich Testträger 3 vorzusehen, die auf diesem Prinzip beruhend beliebig erweiterbar sind. So lassen sich nicht nur zwei oder drei, sondern auch mehrere Kammern in Reihe schalten.
  • Neben den runden halbkugelförmigen Reagenzkammern sind auch andere Formen der Reagenzkammern möglich, beispielsweise tropfenförmige Reagenzkammerformen oder bei der Verwendung von zwei Reagenzkammern, die in einer Mischkammer 22 integriert sind z. B. so genannte "Yin-Yang-Ausformungen". Bevorzugt sind auch diese Reagenzkammern verrundet.
  • Figur 7 zeigt eine sternförmige Anordnung von drei Reagenzkammern 13 in einer Mischkammer 22. Auch in dieser Anordnung wird über den Transportkanal 31 die rotationsachsenferne Mischkammer 13a zuerst befüllt. Bei einem Einfließen von weiterer Flüssigkeit werden dann die beiden rotationsachsennäheren Reagenzkammern 13b, 13c gemeinsam gefüllt. Zwischen den Reagenzkammern 13a und 13b ist nur ein zentraler Verbindungskanal 14a vorgesehen, da der kapillare Transportkanal 31 als zweiter Verbindungskanal 14b dient.
  • In den Figuren 8a und 8b sind dreidimensionale Ansichten einer derartigen sternförmigen Reagenzkammeranordnung gezeigt. Deutlich zu erkennen sind die verrundeten Verbindungskanäle 14 zwischen den Reagenzkammern 13 sowie die verrundeten halbkugelförmigen Reagenzkammern 13 selbst. In dieser Ausführungsform ist zu erkennen, dass der Transportkanal 31 fluidisch auch als Verbindungskanal 14 fungiert.
  • Figur 9 zeigt, dass auch eine sternförmige oder kreisförmige Anordnung von Reagenzkammern 13 erweitert werden kann. So lassen sich, wie hier gezeigt, sechs Reagenzkammern 13 fluidisch zusammenschalten, wobei das Prinzip beibehalten wird, dass die rotationsachsenfernste Reagenzkammer 13a zuerst befüllt wird. Ein Befüllen der weiteren Kammern geht dann von der rotationsachsenfernen Kammer 13a aus.
  • Während des Rotierens des Testträgers wird das Fluid durch alle Reagenzkammern bewegt, bei der sternförmigen Anordnung genauso wie bei der reihenförmigen Anordnung. Auf diese Weise lässt sich ein sehr effizientes Anlösen und Vermischen sowie eine gezielte Steuerung der Flüssigkeitsmengen erzielen. Die dabei erhaltene sehr kompakte und kleine Anordnung hat den Vorteil, dass mehrere kaskadierte Kanalstrukturen 2 auf einen Testträger 3 angeordnet sein können.

Claims (15)

  1. Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe
    mit einem Substrat (5) und einer von dem Substrat (5) und einer Deckschicht umschlossenen Kanalstruktur (2),
    wobei
    das mikrofluidische Element (1) um eine Rotationsachse (4) rotierbar ist; die Kanalstruktur (2) einen Zuführkanal (6) mit einer Zuführöffnung (9), einen Entlüftungskanal (10) mit einer Entlüftungsöffnung (11) und wenigstens zwei Reagenzkammern (13) einschließt;
    die Reagenzkammern (13) über zwei Verbindungskanäle (14) derart miteinander verbunden sind, dass ein Fluidaustausch zwischen den Reagenzkammern (13) möglich ist,
    eine der Reagenzkammern (13) eine Einlassöffnung (23) aufweist, die in Fluidverbindung mit dem Zuführkanal (6) steht, so dass eine Flüssigkeitsprobe in die rotationsachsenferne Reagenzkammer (13a) fließen kann,
    wenigstens eine der Reagenzkammern (13) ein Reagenz (35) enthält, das mit der Flüssigkeitsprobe reagiert.
  2. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidisches Element (1) ein Testträger (3) ist, durch den sich die Rotationsachse (4) erstreckt.
  3. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (2) ein Analysefunktionskanal (15) ist, der eine Messkammer (16) umfasst.
  4. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotationsachsenferne Reagenzkammer (13a) die Einlassöffnung (23) aufweist.
  5. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (2) eine Mischkammer (22) umfasst, in der die Reagenzkammern (13) und die Verbindungskanäle (14) zwischen den Reagenzkammern (13) integriert sind.
  6. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Mischkammer (22) eine rotationsachsennahe Einlassöffnung (23) aufweist und
    - in der Mischkammer (22) ein kapillarer Transportkanal (31) seitlich und radial außen an den Reagenzkammern (13) ausgebildet ist, dessen Querschnitt geringer ist als die Querschnitt der Verbindungskanäle (14), so dass Flüssigkeit durch den Transportkanal (31) von der rotationsachsennahen Einlassöffnung (23) zu der rotationsachsenfernen Reagenzkammer (13a) fließt.
  7. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzkammern (13) derart in radialer Richtung in Reihe angeordnet sind, dass die Reihe der Reagenzkammern (13) einen Winkel von maximal 80° zur Radialrichtung einschließt.
  8. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzkammern (13) im Wesentlichen halbkugelförmig sind, wobei die Öffnungsfläche der Halbkugel (24) von der Deckschicht (34) des mikrofluidischen Elements (1) abgeschlossen wird.
  9. Mikrofluidisches Element nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei in der Mischkammer (22) benachbarten Reagenzkammern (13) sich senkrecht zur Deckschicht (34) erstreckende Stege (27) ausgebildet sind, durch die die Reagenzkammern (13) in der Mischkammer (22) getrennt sind.
  10. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Rotationsachse (4) benachbarte Reagenzkammer (13) die Einlassöffnung (23) aufweist und einen Lufteinlass (12) hat, der die Reagenzkammer (13) mit dem Entlüftungskanal (11) verbindet.
  11. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Verbindungskanal (14a) zwischen zwei benachbarten Reagenzkammern (13) derart angeordnet ist, dass er mit den Zentren der beiden Reagenzkammern (13) fluchtet.
  12. Mikrofluidisches Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbindungskanal (14b) derart seitlich mit den beiden Reagenzkammern (13) verbunden ist, dass er außerhalb einer die Zentren zweier benachbarter Reagenzkammern (13) verbindenden Zentralachse verläuft.
  13. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Reagenzkammern (13) derart angeordnet sind, dass ihr Abstand kleiner ist als die kleinste Dimension der Reagenzkammern (13) in Testträgerebene.
  14. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reagenzkammern (13) so ausgebildet sind, dass ein Befüllen mit einer Flüssigkeit und das Auflösen eines in der Reagenzkammer (13) enthaltenen Reagenz (35) erfolgt, ohne dass Flüssigkeit in die benachbarte Reagenzkammer (13) strömt.
  15. Mikrofluidisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (14) einen Querschnitt aufweist, bei dem die kleinste Querschnittdimension mindestens 150 µm beträgt.
EP09015031A 2009-12-04 2009-12-04 Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe Withdrawn EP2329877A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09015031A EP2329877A1 (de) 2009-12-04 2009-12-04 Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe
EP10782320.5A EP2506959B1 (de) 2009-12-04 2010-11-30 Mikrofluidisches element zur analyse einer flüssigkeitsprobe
PCT/EP2010/068499 WO2011067241A1 (de) 2009-12-04 2010-11-30 Mikrofluidisches element zur analyse einer flüssigkeitsprobe
US13/487,707 US8911684B2 (en) 2009-12-04 2012-06-04 Microfluidic element for analyzing a liquid sample

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09015031A EP2329877A1 (de) 2009-12-04 2009-12-04 Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2329877A1 true EP2329877A1 (de) 2011-06-08

Family

ID=42199278

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09015031A Withdrawn EP2329877A1 (de) 2009-12-04 2009-12-04 Mikrofluidisches Element zur Analyse einer Flüssigkeitsprobe
EP10782320.5A Active EP2506959B1 (de) 2009-12-04 2010-11-30 Mikrofluidisches element zur analyse einer flüssigkeitsprobe

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP10782320.5A Active EP2506959B1 (de) 2009-12-04 2010-11-30 Mikrofluidisches element zur analyse einer flüssigkeitsprobe

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8911684B2 (de)
EP (2) EP2329877A1 (de)
WO (1) WO2011067241A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2532428A3 (de) * 2011-06-07 2013-04-03 Robert Bosch Gmbh Kartusche, Zentrifuge sowie Verfahren zum Mischen einer ersten und zweiten Komponente
US20150024477A1 (en) * 2012-05-16 2015-01-22 Panasonic Healthcare Co., Ltd. Biosensor chip, and biosensor device equipped with same
CN113413935A (zh) * 2021-07-28 2021-09-21 南京岚煜生物科技有限公司 基于磁性混匀技术的主动微流控芯片及其使用方法

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9851307B2 (en) * 2012-12-20 2017-12-26 Flir Detection, Inc. Device and methods for detection of analytes including use of a colorimetric barcode
JP6349721B2 (ja) * 2013-12-24 2018-07-04 凸版印刷株式会社 試料分析チップ
EP2952257A1 (de) 2014-06-06 2015-12-09 Roche Diagnostics GmbH Drehbare Patrone zur Verarbeitung und Analyse einer biologischen Probe
EP3151963B1 (de) 2014-06-06 2018-03-14 Roche Diagnostics GmbH Drehbare kartusche mit dosierkammer zur analyse einer biologischen probe
EP2952258A1 (de) * 2014-06-06 2015-12-09 Roche Diagnostics GmbH Drehbare Kartusche zur Analyse einer biologischen Probe
EP2957890A1 (de) * 2014-06-16 2015-12-23 Roche Diagnostics GmbH Patrone mit drehbarem Deckel
US11698332B2 (en) 2015-11-24 2023-07-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Devices having a sample delivery component
EP3173149A1 (de) 2015-11-26 2017-05-31 Roche Diagnostics GmbH Bestimmung der menge eines analyts in einer blutprobe
EP4023338B1 (de) 2016-04-14 2024-10-02 Roche Diagnostics GmbH Kartusche und optische messung eines analyten mit dieser kartusche
CN107305210B (zh) * 2016-04-20 2019-09-17 光宝电子(广州)有限公司 生物检测卡匣及其检测流体的流动方法
EP3582893B1 (de) * 2017-04-20 2021-03-31 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Mikrofluidisches reaktionssystem
CN108761055B (zh) * 2018-04-27 2024-03-29 广州万孚生物技术股份有限公司 一种微流控芯片及具有该微流控芯片的分析仪器
CN110295107A (zh) * 2019-07-01 2019-10-01 贵州金玖生物技术有限公司 一种用于核酸检测的多通量微流控芯片
CN113009136B (zh) * 2020-08-21 2024-04-05 东莞东阳光医疗智能器件研发有限公司 小型多指标检测样本分析装置
CN114505106B (zh) * 2022-01-29 2023-02-03 南京岚煜生物科技有限公司 优化磁性混匀效果的主动微流控芯片及其使用方法
CN115555067A (zh) * 2022-09-28 2023-01-03 深圳市卓润生物科技有限公司 离心连续反应结构及实现方法与离心式生物样本检测装置
DE102024202811A1 (de) 2024-03-25 2025-09-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikrofluidische Vorrichtung und mikrofluidisches Verfahren zur Verflüssigung von Trockenreagenzien, insbesondere für einen Nachweis von Krankheitserregern

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050041525A1 (en) * 2003-08-19 2005-02-24 Pugia Michael J. Mixing in microfluidic devices
DE102005016509A1 (de) * 2005-04-09 2006-10-12 Boehringer Ingelheim Microparts Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung einer Probenflüssigkeit
EP1944612A1 (de) * 2005-11-01 2008-07-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Diskette zur analyse einer flüssigkeitsprobe und verfahren zur analyse einer gemischten flüssigkeitsprobe
US20080292502A1 (en) * 2005-04-04 2008-11-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Liquid Homogenizer and Analyzer Employing the Same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3044372A1 (de) 1980-11-25 1982-07-08 Boehringer Mannheim Gmbh, 6800 Mannheim Rotoreinheit mit einsatzelementen fuer einen zentrifugalanalysator
US4580896A (en) 1983-11-07 1986-04-08 Allied Corporation Multicuvette centrifugal analyzer rotor with annular recessed optical window channel
GB9809943D0 (en) 1998-05-08 1998-07-08 Amersham Pharm Biotech Ab Microfluidic device
SE0201738D0 (sv) 2002-06-07 2002-06-07 Aamic Ab Micro-fluid structures
EP1916524A1 (de) * 2006-09-27 2008-04-30 Roche Diagnostics GmbH Rotierbares Testelement

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050041525A1 (en) * 2003-08-19 2005-02-24 Pugia Michael J. Mixing in microfluidic devices
US20080292502A1 (en) * 2005-04-04 2008-11-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Liquid Homogenizer and Analyzer Employing the Same
DE102005016509A1 (de) * 2005-04-09 2006-10-12 Boehringer Ingelheim Microparts Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung einer Probenflüssigkeit
EP1944612A1 (de) * 2005-11-01 2008-07-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Diskette zur analyse einer flüssigkeitsprobe und verfahren zur analyse einer gemischten flüssigkeitsprobe

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2532428A3 (de) * 2011-06-07 2013-04-03 Robert Bosch Gmbh Kartusche, Zentrifuge sowie Verfahren zum Mischen einer ersten und zweiten Komponente
US9475043B2 (en) 2011-06-07 2016-10-25 Robert Bosch Gmbh Cartridge, centrifuge and method for mixing a first and second component
US20150024477A1 (en) * 2012-05-16 2015-01-22 Panasonic Healthcare Co., Ltd. Biosensor chip, and biosensor device equipped with same
US10023897B2 (en) * 2012-05-16 2018-07-17 Phc Holdings Corporation Biosensor chip, and biosensor device equipped with same
CN113413935A (zh) * 2021-07-28 2021-09-21 南京岚煜生物科技有限公司 基于磁性混匀技术的主动微流控芯片及其使用方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011067241A1 (de) 2011-06-09
EP2506959B1 (de) 2015-02-25
EP2506959A1 (de) 2012-10-10
US8911684B2 (en) 2014-12-16
US20120301371A1 (en) 2012-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2506959B1 (de) Mikrofluidisches element zur analyse einer flüssigkeitsprobe
DE60124699T2 (de) Zweirichtungs-durchfluss-zentrifugalmikrofluid-vorrichtungen
EP2072131B1 (de) Mikrofluidisches Element zur Durchmischung einer Flüssigkeit in einer Reagenz
DE112011102770B4 (de) Mikrofluidische Einheit mit Hilfs- und Seitenkanälen
DE602004013339T2 (de) Mischen in mikrofluidvorrichtungen
EP2632591B1 (de) Mikrofluidisches element zur analyse einer probenflüssigkeit
EP1531003B1 (de) Mikrostrukturierte Trennvorrichtung und Verfahren zum Abtrennen von flüssigen Bestandteilen aus einer Partikel enthaltenden Flüssigkeit
DE19947495C2 (de) Mikrofluidischer Mikrochip
DE69303898T2 (de) Fluessigkeitsbehandlung in mikrofabrizierten analytischen vorrichtungen
DE102013203293B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Leiten einer Flüssigkeit durch einen ersten oder zweiten Auslasskanal
EP3829767B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum leiten einer flüssigkeit durch ein poröses medium
DE112018001955B4 (de) Anwendungsspezifisch ausgestaltbare Mikrofluidik-Einheit mit programmierbaren Mikrofluidik-Knoten
EP2062643A1 (de) Analysesystem und Verfahren zur Analyse einer Körperflüssigkeitsprobe auf einen darin enthaltenen Analyten
EP1566215A2 (de) Mikrostrukturierte Plattform und Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit
DE112015006185T5 (de) Mikrofluidik-Einheit mit longitudinalen und transversalen Flüssigkeitsbarrieren zur transversalen Strömungsvermischung
DE2117423C3 (de)
DE102007019695A1 (de) Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina
EP2308589A1 (de) Mikrofluidische struktur
DE102019209746A1 (de) Mikrofluidische Vorrichtung zum Prozessieren und Aliquotieren einer Probenflüssigkeit, Verfahren und Steuergerät zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung und mikrofluidisches System zum Durchführen einer Analyse einer Probenflüssigkeit
DE60007285T2 (de) Gerät zum kapillaren flüssigkeitstransfer in seinem inneren
DE102008002509A1 (de) Stopped-Flow-Chip
WO1999001209A1 (de) Schaltbarer dynamischer mikromischer mit minimalem totvolumen
WO2018011085A1 (de) Handhabung von flüssigkeiten unter verwendung eines fluidikmoduls mit bezüglich einer rotationsebene geneigter fluidikebene
EP1534432B1 (de) Mikrofluidische systeme mit hohem aspektverhä ltnis
EP3740313B1 (de) Verfahren zum bereitstellen einer lösung der substanz in einer mikrofluidischen vorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20111209