EP2349565A1 - Microfluidic extraction and reaction device - Google Patents

Microfluidic extraction and reaction device

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Publication number
EP2349565A1
EP2349565A1 EP09741258A EP09741258A EP2349565A1 EP 2349565 A1 EP2349565 A1 EP 2349565A1 EP 09741258 A EP09741258 A EP 09741258A EP 09741258 A EP09741258 A EP 09741258A EP 2349565 A1 EP2349565 A1 EP 2349565A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
chip
microfluidic
extractor
filter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09741258A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jan Claussen
Stefan Wittayer
Susanne Selzer
Frithjof Von Germar
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.)
Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Original Assignee
Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2349565A1 publication Critical patent/EP2349565A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40Concentrating samples
    • G01N1/405Concentrating samples by adsorption or absorption
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • 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
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    • B01L3/502753Containers 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 bulk separation arrangements on lab-on-a-chip devices, e.g. for filtration or centrifugation
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Definitions

  • the invention relates to a microfluidic arrangement for obtaining and optionally processing a flowable extract from a sample and for transferring the same into a microfluidic chip.
  • the invention further relates to a lab-on-a-chip system with such a microfluidic chip including the microfluidic arrangement.
  • the invention thus moves in the technical field of extraction of biochemical or chemical analytes, in particular DNA / RNA material, proteins, cells and / or bacteria from samples, in particular solid samples, for example soil samples, foods and the like, with subsequent reaction.
  • samples in particular solid samples, for example soil samples, foods and the like, with subsequent reaction.
  • the sample in the extraction of DNA / RNA from samples, the sample is known to be mixed with an extraction buffer, mixed, and then filtered.
  • the extract or fitrate is then usually subjected to further processing in a suitable container.
  • This may be a cellular bioengineering process (for example, labeling in an immunoassay) or lysis in a DNA assay.
  • One step in the direction of microfluidic extraction is an extraction system described, for example, in the "Sample Preparation for the Analysis of Gluten from Foodstuff in a Modular Chip Platform" on the occasion of the 10th International Conference on Miniaturized Chemistry and Life Science, 5-9
  • This extraction system uses a peristaltic or peristaltic pump-based method to mix the sample with an extraction buffer, and instead of a filter, a centrifuge is used to separate the undissolved sample components to reduce the scale of microfluidic chips are described in more detail in DE 10 2006 003 532 A1
  • the centrifuge is connected on the inlet and outlet sides via a fluidic connection piece to a microfluidic chip.
  • WO 2006/029387 A1 is a portable extraction device with a syringe-shaped arrangement for pipetting and delivering an analyte, preferably a nucleic acid, to a cleaning chip. Between the syringe assembly and the cleaning chip, a valve for aligning the fluid flow and a filter arrangement is connected.
  • a filtration arrangement for the preparation of nucleic acids from natural sources with a syringe-shaped arrangement is known, with which the digestion from the nucleic acid is conveyed through a filtration device located in front of the outlet of the syringe arrangement.
  • the microfluidic arrangement has an extractor, a reactor communicating with the extractor via a flow path, and a filter arrangement connected in the flow path between the extractor and the reactor.
  • the extractor in turn has a compressible extraction chamber and at least one opening thereof.
  • the reactor has a reaction chamber, an inlet communicating with the at least one opening of the extractor, the two openings defining a fluid path between the chambers, an outlet opening for fluid communication with the micro fluidic chip, and a vent opening of the reaction chamber.
  • the advantage of the microfluidic arrangement according to the invention is that with a small number of components, the full functionality of an extraction device is realized in combination with a reaction chamber.
  • the extraction takes place in the extraction chamber into which the sample is previously introduced together with the extraction buffer.
  • the liquid portion of the extract is forced through the filter assembly due to a pressure differential. Undissolved solids are retained in the filter assembly.
  • the liquid phase passes through the filter assembly and enters the reaction chamber.
  • the reaction chamber is kept at a virtually constant pressure by means of the vent opening, which creates a connection between the reaction chamber and the environment, while, for example, in the extraction chamber during compression, the pressure rises. This is always the case a sufficient pressure difference between the chambers is ensured, which counteracts clogging of the filter with sufficient dimensioning of the filter assembly.
  • the pressure from the extraction chamber is also not introduced into the microfluidic channel system of the chip via the reaction chamber and its outlet opening and therefore does not lead to an uncontrolled flow behavior, in particular to no or unwanted outflow of the extract from the preferably downwardly located outlet opening of the Reactor in the chip.
  • control of the flow in the chip takes place in the usual way by an otherwise applied to the chip pressure difference (for example, middle pump or syringe) and a suitable valve control.
  • a control via capillary forces is possible in addition or as an alternative to the variants mentioned due to the decoupling between pressure in the extractor and microfluidic chip.
  • the extractor comprises a cylinder-piston assembly that encloses the compressible extraction chamber.
  • both the ZyMn- and the piston can be inexpensively made of a suitable polymer material by injection molding, hot stamping or reaction molding.
  • One embodiment of the cylinder-piston arrangement provides for forming the reaction chamber and the extraction chamber as a through-going, preferably cylindrical cavity or preferably cylindrical cavities of the same or different diameters arranged one behind the other.
  • the filter assembly divides in the form of a partition wall, the cavity or cavities functionally in the extraction and reaction chamber.
  • a piston is inserted into the cavity of the extractor chamber similar to a syringe to apply the necessary filtration pressure.
  • the reaction chamber and possibly also the Extraction chamber can be flanged in this embodiment as a separate, for example, hollow cylindrical member to a microfluidic chip or integrated by forming the cavity in a thicker region of the chip in this. In particular, chip and reactor and possibly extractor are then integrally formed.
  • the reactor can also be designed as an independent, preferably cylindrical insert or capsule, which is fitted in a fluid-tight manner into a section of the preferably cylindrical cavity. The remainder of the cavity forms the extraction chamber.
  • the filter assembly is formed by or integrated with the portion of the wall of the insert adjacent to the extraction chamber.
  • the chambers or cylinders forming cavities and the outer contours forming the piston in the aforementioned embodiments preferably have a cylindrical geometry.
  • the cylinder of the extractor is displaceable relative to the filter assembly and the reactor, the filter assembly and / or the reactor being at least partially associated with or forming the piston.
  • the filter arrangement preferably has at least one filter element and a filter holder which is connected to the reactor and presses the filter element against the inlet opening of the reactor.
  • the filter holder is positively, frictionally and / or cohesively, for example by laser welding, gluing or pressing, firmly connected to the reactor cylinder.
  • a filter pad can be arranged in front of the inlet opening of the reactor. If in this way it is also ensured that the filter element bears in a fluid-tight manner on the filter holder or is connected thereto, it is further ensured that the extract has to pass the filter element on its way into the reaction chamber so that no undesired particles can enter the reaction chamber.
  • the filter holder expediently likewise has a cylindrical outer contour. With appropriate accuracy of fit, the filter holder can be pressed into the Hohlzyiinder of the extractor.
  • a sealing element is arranged between an outer wall of the filter holder and an inner wall of the extractor cylinder. The sealing element may be formed with sufficient elasticity of the material of the filter holder in the form of a one-piece sealing lip or in the form of a separate sealing ring.
  • the extractor has a stirring element enclosed in the extraction chamber.
  • the reactor in the form of a hollow cylinder preferably has a flange for mounting on a microfluidic chip.
  • the lab-on-a-chip system has a microfluidic arrangement of the type described above with an extractor, a reactor and a filter arrangement and a microfluidic chip fixedly connected to the reactor.
  • "firmly connected” here means an immediately physically adjacent arrangement, possibly with the interposition of a gasket, for example with the aforementioned flange preferably by means of suitable fastening means (for example Screws or clamp elements) by form-closure or by material bond (gluing, welding, in particular ultrasonic welding) flanged directly onto the microfluidic chip.
  • suitable fastening means for example Screws or clamp elements
  • material bond glue, welding, in particular ultrasonic welding
  • At least one channel is provided in the microfluidic chip that communicates with the exit port of the reactor.
  • the microfluidic chip has a valve arrangement for selectively connecting or disconnecting the or the outlet opening of the reactor communicating channel / channels with at least one inlet and / or outlet.
  • Figure 1 is a perspective view of an embodiment of the lab-on-A-chip system according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of the lab-on-a-chip system according to FIG. 1;
  • Figure 3A is a side sectional view illustrating an application of the invention Lab-On-A-chip system
  • Figure 3B is a plan view of the system arrangement according to Figure 3A.
  • the lab-on-a-chip system 10 according to the invention is flowable on the basis of an embodiment with a microfluidic chip 12 and a micro-fluidic assembly 14 for extracting and optionally processing an extract from a sample and converting it Form illustrated in the microfluidic chip 12.
  • the microfluidic chip has a valve arrangement 16 which selectively connects or disconnects one or more inlets and / or outlets 18 to a channel 20. Suitable valve arrangements, for example, are described in the still unpublished patent applications DE 10 2008 002 674.3 or DE 10 2008 002 675.1 described.
  • valve body movably arranged relative to the chip, which has a sealing surface and defines at least one channel for the selective connection and / or separation of fluid lines in the substrate, wherein the sealing surface of the valve body lies in a fluid-tight manner against a sealing surface of the chip.
  • the valve body is pressed against the chip either by means of a pressing ring materially connected to the substrate or by means of a clip element positively connected to the substrate, wherein the pressing ring or the clamping element and / or the valve body is at least partially elastic.
  • the channel 20 terminates in a funnel-shaped, open-topped extension (or drainage funnel) 22 in the microfluidic chip 12.
  • the chip 12 is made of a suitable polymer material and has a substantially rectangular, flat chip card shape.
  • Suitable plastics are thermoplastics and thermosets, such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polyoxymethylene (POM), polyether ketones (PEEK), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclo-olefin copolymers (COC), cyclic olefin polymers ( COP) 1 polycarbonate (PC).
  • the chip 12 is typically a few millimeters thick, wherein the channel structures are incorporated from the top and / or bottom in the substrate and are each sealed from the top or bottom with a thin film.
  • the microfluidic assembly 14 On the upper side 24 of the chip 12 is the microfluidic assembly 14. This has an extractor 30, a reactor 32 and a filter assembly 34.
  • the extractor 30 has a cylinder-piston arrangement with parts of the filter assembly 34 and the reactor 32 forming the piston.
  • the extractor 30 associated cylinder 36 has a cylinder jacket 38 and a cylinder ceiling! 40, which is connected by means of screws 42 fixed to the cylinder jacket 38 and sealed by a seal 44.
  • the cylinder 36 on the side opposite the cylinder cover 40 by the piston and more precisely by the filter assembly 34 limited, a volume, namely the extraction chamber 46 a.
  • the sample and an extraction buffer are introduced into the extraction chamber through the initially open cylinder cover 40, and the cover 40 is subsequently closed again.
  • a screw cap closure instead of the cover fixed by means of the screws 42, a screw cap closure, a snap or click fastener or an adhesive surface can be used.
  • the extraction chamber 46 In the extraction chamber 46 is also a stirring element 48 in the form of a magnetic stirring bar for mixing the sample with the extraction buffer.
  • the extraction cylinder 36 is opposite the piston, i. relative to the filter assembly 34 and the reactor 32 in the axial direction displaceable. In this way, by extraction from above the extraction cylinder 36, the extraction volume 46 can be compressed.
  • the filter assembly 34 consists essentially of one or more filter elements 50, a Fiiter charged 52 and a filter pad 54.
  • the filter holder has a cylindrical outer contour, in which an annular groove 56 is recessed for receiving a sealing ring. This sealing ring seals the extraction chamber 46 from the outside world so that no liquid can escape between the extractor cylinder 36 and the piston.
  • the reactor 32 consists essentially of a hollow cylindrical shell (short hollow cylinder) 58 with a one-sided integrally attached flange 60.
  • the Hohlzyiinder 58 has a through hole, which forms the reaction chamber 62 with an inlet opening on its upper side and an outlet opening on its underside.
  • annular groove 64 On the underside of the flange 60 and corresponding to the top 24 of the chip 12 is in each case an annular groove 64 of the same diameter for receiving a sealing ring. Alternatively, the annular groove can also be incorporated either only in the flange or only in the chip.
  • the flange 60 is connected by means of a screw 66 fixed to the chip 12 and sealed by means of the sealing ring, so that no liquid can escape from the reaction chamber 62 at this point in the environment.
  • the exit opening of the reaction chamber 62 is aligned with the funnel-shaped widening 22 in the microfluidic chip 12 and thus is in fluid communication with the channel 20 of the microfluidic chip 12.
  • the upper, open end of the funnel-shaped widening 22 has a slightly larger diameter than that Through hole of the reaction chamber 62 on. This ensures that after emptying the reaction chamber 62 no liquid remains in dead spaces or corners in the transition from the extractor 32 to the chip 12.
  • the capillary tube 68 pierces on its underside the microfluidic chip 12. It is open at the top and bottom, so that it provides a vent opening, the volume of the reaction chamber 62 with the environment connects.
  • a filter may be provided, which prevents the escape of germs into the environment or, conversely, the penetration of impurities into the extract.
  • the filter pad 54 is located on the upper end face of the reactor cylinder 58. This carries or supports the or the filter elements 50.
  • the filter holder 52 is sleeve-shaped and has on its underside an internal thread, which is screwed to a corresponding external thread of the reactor cylinder 58.
  • the filter holder 52 with an annular inwardly directed edge presses the filter elements 50 against the filter support 54, which in turn is supported against the reactor cylinder 58.
  • the filter pad 54 has centrally on its underside a drip-off nose 70, at which the extract pressed by the filter element or elements 50 first collects before it drips into the reaction chamber 52. This prevents the extract from entering the extraction chamber 62 on an undefined path. In particular, it is avoided that the extract occludes the vent opening of the capillary tube 68.
  • a total of three filter elements 50 are mounted. These are in each case at the top and at the bottom each a stainless steel filter with a pore size of 200 microns and intervening a filter made of polyamide with a pore size of 20 microns.
  • the grading of the pore size of the filter from the larger to the smaller cross-section means that only the largest particles are retained in the first filter and form sufficiently large passage openings for smaller particles, which are then collected in the next filter stage. A fouling is thereby largely prevented.
  • the third filter element with the again larger pore size serves to support the middle, finer filter element. It may alternatively or additionally a filter additive in the form of Particles are used, which forms similar to the first coarse filter for a fine particle-permeable matrix and prevents fouling.
  • the system shown allows the filtration of samples at high pressures of up to 10 bar. Very good filtration results can be achieved without clogging the filter element. On the other hand, the venting ensures that in the channel system of the microfluidic chip 12, the fluid control is not lost despite the high pressure.
  • the reactor tube 58 has a heating sleeve 72 arranged circumferentially. If necessary, it can be used to convert the extract, for example in the case of chemical and / or thermal lysis, or for acceleration by heating the extract.
  • connection can also be made form-fitting by a kind of "quick release” (click connection) or by material connection (welding or Kiebeharm).
  • the device may also be designed and configured for overhead operation.
  • the extractor cylinder may have a solid bottom and be filled from the side of its (single) opening and then placed in this orientation from below on the reactor cylinder.
  • overhead operation already causes sedimentation, ie separation of the heaviest, largest particles on the bottom surface of the extractor cylinder.
  • FIGS. 3A and 3B show an illustration of the lab-on-a-chip system 10 according to the invention for illustrating the mode of operation, in particular the introduction of substances into the reaction chamber.
  • the microfluidic arrangement 14 is located on the upper side of the chip 12.
  • the housing of the valve arrangement 16 is flanged from its underside.
  • the valve assembly includes a rotary valve having a valve body having at least one channel rotatable relative to the chip for selectively connecting at least two fluid channels in the chip. In total, six inlets and outlets 18 and the channel 20 are connected to the rotary valve 16. As can be seen in the plan view according to FIG.
  • the inlets or outlets 18 a, 18 b, 18 c and 18 d consist within the chip 12 of a respective channel which is similar in structure to the channel 20 and outside the chip from a connecting piece, in this case in each case a hose section.
  • the other two supply and discharge lines 18 have no external connector.
  • the channel 20 can be connected to the end of at least one inlet or outlet 18.
  • a syringe or pump 74 or 76 are connected to the supply lines 18a and 18b, and more precisely to the free ends of the tube sections.
  • the syringe 74 is filled in the example shown with air or another gas.
  • the syringe 76 may be filled with a suitable reagent, for example with an antibody bead solution in the case of immunoassay or with a reagent for chemical and / or thermal lysis and / or with binding additives in the DNA assay. Therefore, in order to carry out an immunoassay, the valve in the valve arrangement 16 is first actuated in such a way that a connection is made.
  • the valve arrangement is adjusted so that the end of the channel 20 is connected to the beginning of another discharge line 18, 18c, 18d.
  • the mixture in the reaction chamber 62 can be transferred via the microfluidic path thus formed through the microfluidic chip 12, for example to a connected or also on-chip concentration and detection module (not shown).
  • venting of the reaction chamber 62 described above always ensures a controlled fluid transport with very small pressure differences throughout the process.
  • An experiment has shown that the vent capillary makes it possible to make fluid transport from the reaction chamber into the chip so robust that no further process controls, such as e.g. Sensors are necessary for detecting the liquid level in the fluid channels at the outlet of the extractor.
  • the terms supply line, discharge, reactor, extractor, valve arrangement or filter arrangement in the first place functiona! to be understood.
  • the housing section forming the reactor and the filter arrangement can at the same time be part of the extractor, namely the piston, as the exemplary embodiment shows.
  • the supply and discharge lines structurally do not differ at least within the chip from the channel. Functionally, however, they form a connection between the valve and a periphery, while the channel describes the connection section between the valve and the reaction chamber.

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Abstract

The invention relates to a microfluidic arrangement (14) for extracting and optionally processing an extract from a sample and for transferring the extract in flowable form to a microfluidic chip (12) using an extractor (30) comprising a compressible extraction chamber and at least one opening thereof, a reactor (46) that comprises a reaction chamber (62), an inlet opening that communicates with the at least one opening of the extractor (30), wherein the two openings define a flow path between the chambers, an outlet opening for fluidically connecting to the microfluidic chip (12) and a ventilation opening of the reaction chamber (62), and comprising a filter arrangement (34) installed in the flow path between the extractor (30) and the reactor (46). The invention also relates to a lab-on-a-chip system (10) comprising such a microfluidic arrangement (14) and a microfluidic chip (12) that is rigidly connected to the reactor (46).

Description

Mikrofluidische Extraktions- und Reaktionsvorrichtung Microfluidic extraction and reaction device
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Anordnung zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines fließfähigen Extraktes aus einer Probe und zum Überführen desselben in einen mikrofluidischeπ Chip. Die Erfindung betrifft ferner ein Lab-On-A-Chip-System mit einem solchen mikrofluidischen Chip einschließlich der mikrofluidische Anordnung.The invention relates to a microfluidic arrangement for obtaining and optionally processing a flowable extract from a sample and for transferring the same into a microfluidic chip. The invention further relates to a lab-on-a-chip system with such a microfluidic chip including the microfluidic arrangement.
Die Erfindung bewegt sich also auf dem technischen Gebiet der Extraktion von biochemischen oder chemischen Analyten, insbesondere DNA/RNA-Material, Proteinen, Zellen und/oder Bakterien aus Proben, insbesondere festen Proben, beispielsweise Bodenproben, Lebensmittel und dergleichen, mit anschließender Umsetzung. Beispielsweise bei der Extraktion von DNA/RNA aus Proben wird die Probe bekanntermaßen mit einem Extraktionspuffer versetzt, gemischt und anschließend filtriert. Das Extrakt oder Fiitrat wird dann meist in einem geeigneten Behälter einer weiteren Bearbeitung unterzogen. Dies kann ein moiekularbioiogi- scher Prozess (beispielsweise das Labelling bei einem Immunoassay) oder die Lyse bei einem DNA-Assay sein.The invention thus moves in the technical field of extraction of biochemical or chemical analytes, in particular DNA / RNA material, proteins, cells and / or bacteria from samples, in particular solid samples, for example soil samples, foods and the like, with subsequent reaction. For example, in the extraction of DNA / RNA from samples, the sample is known to be mixed with an extraction buffer, mixed, and then filtered. The extract or fitrate is then usually subjected to further processing in a suitable container. This may be a cellular bioengineering process (for example, labeling in an immunoassay) or lysis in a DNA assay.
Während die weitere Bearbeitung des Extraktes im mikrofluidischen Maßsstab - hiermit sind Filtratmengen von weniger als 5 Millilitern, typischerweise in der Größenordnung von 1 μl bis 1000 μl und insbesondere von weniger ais 500 μl ge- meint - bekannt ist, wird die Extraktion selbst bekanntermaßen im makroskopischen oder Labormaßstab (Filtratmengen im mehrstelligen Milliliter- bis Literbereich) in mehreren Schritten manuell durchgeführt. Dabei stellt sich insbesondere die Übergabe des extrahierten Probenmateriais an den mikrofluidischen Chip als problematisch dar. Auf diesem Weg kann ein nicht unerheblicher Verlust an Pro- benmaterial erfolgen, und, wie auch bei der Übergabe von einem Gefäß auf ein anderes, eine Kontaminationsgefahr entstehen. Ferner ist es nicht einfach, das Extrakt ohne Verlust der fluidischen Kontrolle in den Chip einzubringen. Nicht zuletzt ist die Extraktion im Labormaßstab teuer und setzt große Mengen der Ausgangssubstanzen, insbesondere des Probematerials voraus.While further processing of the extract is known in the microfluidic scale - here filtrate amounts of less than 5 milliliters, typically of the order of 1 .mu.l to 1000 .mu.l and in particular of less than 500 .mu.l - known, the extraction itself is known in the macroscopic or laboratory scale (filtrate quantities in the multi-digit milliliter to liter range) carried out manually in several steps. In particular, the transfer of the extracted Probenmateriais to the microfluidic chip poses a problem. In this way, a significant loss of sample material can take place, and, as in the transfer of a vessel on a other, a risk of contamination arise. Furthermore, it is not easy to introduce the extract into the chip without loss of fluidic control. Last but not least, extraction on a laboratory scale is expensive and requires large quantities of the starting materials, in particular of the sample material.
Einen Schritt in Richtung mikrofluidischer Extraktion geht ein Extraktionssystem, das beispielsweise in der Veröffentlichung „Sample Preparation for the Analysis of Gluten from Foodstuff in a Modular Chip-Platform" anlässlich der 10th Internationa! Conference on Miniaturized Chemistry and Life Science, vom 5. bis 9. November 2006 in Tokyo, Japan, beschrieben ist. Dieses Extraktionssystem verwendet zum Durchmischen der Probe mit einem Extraktionspuffer eine auf einer Peristaltik- oder Schlauchquetschpumpe basierende Methode. Zum Abtrennen der ungelösten Probenbestandteile wird anstelle eines Filters eine Zentrifuge eingesetzt. Die Bemühungen, die Zentrifugation selbst auf den Maßstab mikrofluidischer Chips zu reduzieren sind in der DE 10 2006 003 532 A1 näher beschrieben. Die Zentrifuge ist ein- und ausgangsseitig über ein fluidisches Verbindungsstück mit einem Mikro- fluidik-Chip verbunden.One step in the direction of microfluidic extraction is an extraction system described, for example, in the "Sample Preparation for the Analysis of Gluten from Foodstuff in a Modular Chip Platform" on the occasion of the 10th International Conference on Miniaturized Chemistry and Life Science, 5-9 This extraction system uses a peristaltic or peristaltic pump-based method to mix the sample with an extraction buffer, and instead of a filter, a centrifuge is used to separate the undissolved sample components to reduce the scale of microfluidic chips are described in more detail in DE 10 2006 003 532 A1 The centrifuge is connected on the inlet and outlet sides via a fluidic connection piece to a microfluidic chip.
Der technische Aufwand der Zentrifugenextraktion ist allerdings sehr hoch. Die aus vorgenannter Druckschrift bekannte Zentrifuge enthält sehr viele, teilweise bewegliche Einzelteile und ist deshalb insbesondere für die einmalige Verwendung zu teuer. Außerdem sind die mit dem Handling der Probe und des Extraktes verbundenen Problem nicht gelöst. Das Befüllen des Extraktors einerseits und die Übergabe des extrahierten Probenmaterials von dem Extraktor zur Zentrifuge stellen sich weiterhin problematisch dar. Auf diesem Weg kann ein nicht unerheblicher Verlust an Probenmaterial erfolgen und eine Kontaminationsgefahr bei der Übertragung von einem auf den nächsten Abschnitt der Apparatur einhergehen. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die Durchführung der Extraktion aus den vorgenannten Gründen derzeit kostenintensiv, zeitaufwendig ist und mit einem erhöhten Kontaminationsrisiko für Personal und Umwelt verbunden ist.However, the technical complexity of centrifugal extraction is very high. The centrifuge known from the aforementioned document contains a great many, partly movable items and is therefore too expensive, especially for one-time use. In addition, the problem associated with the handling of the sample and the extract has not been solved. The filling of the extractor on the one hand and the transfer of the extracted sample material from the extractor to the centrifuge continue to be problematic. In this way, a considerable loss of sample material can take place and a risk of contamination in the transfer of one on the next section of the apparatus go along. In summary, it can be stated that carrying out the extraction for the aforementioned reasons is currently expensive, time-consuming and entails an increased risk of contamination for personnel and the environment.
Die Extraktion und Aufbereitung einer Probe im Chip-Format, also in mirkroflui- dischen Mengen, mittels eines unmittelbar an einen mikrofluidischen Chip anschließbaren Moduls oder einer mikrofluidischen Anordnung ist derzeit nicht bekannt.The extraction and preparation of a sample in the chip format, ie in microfluidic quantities, by means of a directly connectable to a microfluidic chip module or a microfluidic arrangement is currently unknown.
Aus der WO 2006/029387 A1 ist eine tragbare Extraktionsvorrichtung mit einer spritzenförmigen Anordnung zum Pipettieren und Abgeben eines Analyten, vorzugsweise einer Nukleinsäure, an einen Reinigungschip. Zwischen die Spritzenanordnung und den Reinigungschip ist ein Ventil zum Ausrichten des Fluid- stroms und eine Filteranordnung geschaltet.From WO 2006/029387 A1 is a portable extraction device with a syringe-shaped arrangement for pipetting and delivering an analyte, preferably a nucleic acid, to a cleaning chip. Between the syringe assembly and the cleaning chip, a valve for aligning the fluid flow and a filter arrangement is connected.
Aus der DE 44 32 654 A1 ist eine Filtrationsanordnung zur Präparation von Nukleinsäuren aus natürlichen Quellen mit einer spritzenförmigen Anordnung bekannt, mit der der Aufschluss aus der Nukleinsäure durch eine sich vor dem Auslass der Spritzenanordnung befindende Filtrationseinrichtung gefördert wird.From DE 44 32 654 A1 a filtration arrangement for the preparation of nucleic acids from natural sources with a syringe-shaped arrangement is known, with which the digestion from the nucleic acid is conveyed through a filtration device located in front of the outlet of the syringe arrangement.
Eine einfache Miniaturisierung bekannter Filtrationsverfahren wäre indes mit weiteren Problemen verbunden. Herkömmliche Filteranordnungen zur Probenextraktion haben den Nachteil, dass die Filterporen sehr schnell verstopfen, was der Miniaturisierung zwangsläufig eine Grenze setzt. Ein großer Druckunter- schied bei der Filtration würde ferner zu einem sehr schnellen Transport des Extrakts in einem angeschlossenen Mikrofluidik-Chip führen, wodurch dort die fluidische Kontrolle gefährdet wäre. Auch die Druckfestigkeit üblicher mikroflui- discher Chips wäre nicht ausreichend, um den bei der Filtration auftretenden Drücken Stand zu halten. Die Erfindung hat zum Ziel vorstehende Probleme zu überwinden.Simple miniaturization of known filtration processes, however, would involve further problems. Conventional filter arrangements for sample extraction have the disadvantage that the filter pores clog very quickly, which inevitably sets a limit to miniaturization. A large pressure difference in the filtration would also lead to a very rapid transport of the extract in a connected microfluidic chip, whereby the fluidic control would be at risk there. The compressive strength of conventional microfluidic chips would not be sufficient to withstand the pressures occurring during filtration. The invention aims to overcome the above problems.
Vorstehende Aufgabe wird mit einer mikrofiuidischen Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbiidungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The above object is achieved with a microfiuidischen arrangement according to claim 1. Advantageous further developments of the invention are the subject matter of the subclaims.
Erfindungsgemäß weist die mikrofiuidische Anordnung einen Extraktor, einen mit dem Extraktor über einen Fließweg kommunizierenden Reaktor und eine in den Fiießweg zwischen dem Extraktor und dem Reaktor geschalteten Filteranord- nung auf. Der Extraktor weist seinerseits eine komprimierbare Extraktionskammer und mindestens eine Öffnung derselben auf. Der Reaktor weist eine Reaktionskammer, eine mit der mindestens eine Öffnung des Extraktors kommunizierende Eintrittsöffnung, wobei die beiden Öffnungen einen Fiießweg zwischen den Kammern definieren, eine Austrittsöffnung zur fluidischen Verbindung mit dem mikro- fluidischen Chip und eine Entlüftungsöffnung der Reaktionskammer auf.According to the invention, the microfluidic arrangement has an extractor, a reactor communicating with the extractor via a flow path, and a filter arrangement connected in the flow path between the extractor and the reactor. The extractor in turn has a compressible extraction chamber and at least one opening thereof. The reactor has a reaction chamber, an inlet communicating with the at least one opening of the extractor, the two openings defining a fluid path between the chambers, an outlet opening for fluid communication with the micro fluidic chip, and a vent opening of the reaction chamber.
Vorteil der erfindungsgemäßen mikrofiuidische Anordnung ist, dass mit einer geringen Anzahl von Bauelementen die volle Funktionalität einer Extraktionsvorrichtung in Kombination mit einer Reaktionskammer verwirklicht ist Die Extraktion findet in der Extraktionskammer statt, in welche zuvor die Probe zusammen mit dem Extraktionspuffer eingegeben wird. Durch Komprimierung des Extraktionskammervolumens wird der flüssige Anteil des Extrakts aufgrund einer Druckdifferenz durch die Filteranordnung gepresst. Ungelöste Festbestandteile werden in der Filteranordnung zurückgehalten. Die flüssige Phase passiert die Filteranord- nung und gelangt in die Reaktionskammer.The advantage of the microfluidic arrangement according to the invention is that with a small number of components, the full functionality of an extraction device is realized in combination with a reaction chamber. The extraction takes place in the extraction chamber into which the sample is previously introduced together with the extraction buffer. By compressing the extraction chamber volume, the liquid portion of the extract is forced through the filter assembly due to a pressure differential. Undissolved solids are retained in the filter assembly. The liquid phase passes through the filter assembly and enters the reaction chamber.
Erfindungserheblich ist ferner, dass die Reaktionskammer mittels der Entlüftungsöffnung, die eine Verbindung zwischen der Reaktionskammer und der Umgebung schafft, auf nahezu konstantem, Druck gehalten wird, während beispielsweise in der Extraktionskammer beim Komprimieren der Druck ansteigt. Hierdurch ist stets θine ausreichende Druckdifferenz zwischen den Kammern sichergestellt, die bei ausreichender Dimensionierung der Filteranordnung einem Verstopfen des Filters entgegenwirkt. Ferner wird der Druck aus der Extraktionskammer auch nicht über die Reaktionskammer und deren Austrittsöffnung in das mikrofluidische Kanalsys- tem des Chips eingebracht und führt daher nicht zu einem unkontrollierten Fließverhalten, insbesondere nicht zu einem oder ungewollten Abfluss des Extraktes aus der vorzugsweise unten liegenden Austrittsöffnung aus dem Reaktor in den Chip. Die Steuerung des Flusses im Chip erfolgt in gewohnter Weise durch eine anderweitig an den Chip angelegte Druckdifferenz (beispielsweise mitte! Pumpe oder Spritze) und eine geeignete Ventilsteuerung. Auch eine Steuerung über Kapillarkräfte ist in Ergänzung oder als Alternative zu den genannten Varianten auf Grund der Entkopplung zwischen Druck im Extraktor und mikrofluidischen Chip möglich.It is also relevant to the invention that the reaction chamber is kept at a virtually constant pressure by means of the vent opening, which creates a connection between the reaction chamber and the environment, while, for example, in the extraction chamber during compression, the pressure rises. This is always the case a sufficient pressure difference between the chambers is ensured, which counteracts clogging of the filter with sufficient dimensioning of the filter assembly. Furthermore, the pressure from the extraction chamber is also not introduced into the microfluidic channel system of the chip via the reaction chamber and its outlet opening and therefore does not lead to an uncontrolled flow behavior, in particular to no or unwanted outflow of the extract from the preferably downwardly located outlet opening of the Reactor in the chip. The control of the flow in the chip takes place in the usual way by an otherwise applied to the chip pressure difference (for example, middle pump or syringe) and a suitable valve control. A control via capillary forces is possible in addition or as an alternative to the variants mentioned due to the decoupling between pressure in the extractor and microfluidic chip.
Bevorzugt weist der Extraktor eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf, die die komprimierbare Extraktionskammer einschließt.Preferably, the extractor comprises a cylinder-piston assembly that encloses the compressible extraction chamber.
Die Realisierung der komprtmierbaren Extraktionskammer durch eine Zylinder- Kolben-Anordnung ist technisch besonders einfach. Dabei kann sowohl der ZyMn- der als auch der Kolben kostengünstig aus einem geeigneten Polymermaterial durch Spritzguss, Heißprägen oder Reaktionsgießen hergestellt werden.The realization of the compressible extraction chamber by a cylinder-piston arrangement is technically particularly simple. In this case, both the ZyMn- and the piston can be inexpensively made of a suitable polymer material by injection molding, hot stamping or reaction molding.
Eine Ausführungsform der Zylinder-Kolben-Anordnung sieht vor, die Reaktionskammer und die Extraktionskammer als durchgehenden, vorzugsweise zyiinder- förmigen Hohlraum oder hintereinander angeordnete vorzugsweise zylinderförmige Hohlräume gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers auszubilden. Die Filteranordnung teilt in Form einer Trennwand den Hohlraum bzw. die Hohlräume funktional in die Extraktions- und Reaktionskammer. Ein Kolben wird ähnlich einer Spritze zur Aufbringung des notwendigen Filtrationsdruckes in den Hohlraum der Extrakttonskammer eingeschoben. Die Reaktionskammer und eventuell auch die Extraktionskammer können in dieser Ausführungsform als separates, beispielsweise hohlzylinderförmiges Bauteil an einen mikrofiuidischen Chip angeflanscht oder durch Ausbildung des Hohlraums in einem dickeren Bereich des Chips in diesen integriert sein. Insbesondere sind Chip und Reaktor und evtl. Extraktor dann einstückig ausgebildet.One embodiment of the cylinder-piston arrangement provides for forming the reaction chamber and the extraction chamber as a through-going, preferably cylindrical cavity or preferably cylindrical cavities of the same or different diameters arranged one behind the other. The filter assembly divides in the form of a partition wall, the cavity or cavities functionally in the extraction and reaction chamber. A piston is inserted into the cavity of the extractor chamber similar to a syringe to apply the necessary filtration pressure. The reaction chamber and possibly also the Extraction chamber can be flanged in this embodiment as a separate, for example, hollow cylindrical member to a microfluidic chip or integrated by forming the cavity in a thicker region of the chip in this. In particular, chip and reactor and possibly extractor are then integrally formed.
Alternativ kann der Reaktor auch als eigenständiger, vorzugsweise zylindrischer Einsatz oder Kapsel ausgebildet sein, der in einen Abschnitt des vorzugsweise zylindrischen Hohlraumes fluiddicht eingepasst ist. Der übrige Teil des Hohlrau- mes bildet die Extraktionskammer. Die Fiiteranordnung wird durch den Abschnitt der Wand des Einsatzes gebildet oder ist in diesen integriert, der an die Extraktionskammer angrenzt.Alternatively, the reactor can also be designed as an independent, preferably cylindrical insert or capsule, which is fitted in a fluid-tight manner into a section of the preferably cylindrical cavity. The remainder of the cavity forms the extraction chamber. The filter assembly is formed by or integrated with the portion of the wall of the insert adjacent to the extraction chamber.
Aus nahe liegenden fertigungstechnischen Gründen weisen die die Kammern bzw. Zylinder bildenden Hohlräume und die den Kolben bildenden Außenkonturen bei den vorgenannten Ausführungsformen vorzugsweise eine zylindrische Geometrie auf.For obvious manufacturing reasons, the chambers or cylinders forming cavities and the outer contours forming the piston in the aforementioned embodiments preferably have a cylindrical geometry.
Vorteilhafter Weise ist der Zylinder des Extraktors relativ zu der Filteranordnung und dem Reaktor verschiebbar, wobei die Filteranordnung und/oder der Reaktor zumindest teilweise dem Kolben zugeordnet sind oder diesen bilden.Advantageously, the cylinder of the extractor is displaceable relative to the filter assembly and the reactor, the filter assembly and / or the reactor being at least partially associated with or forming the piston.
Dies lässt sich besonders gut dann realisieren, wenn der Reaktor in Form eines Hohlzylinders ausgestaltet ist, der außenumfänglich zumindest auf einem axialen Abschnitt in die Bohrung der Extraktorzylinders hineinpasst. Im Inneren des Reaktorzylinders ist die Reaktionskammer ausgebildet, die durch die Filteranordnung gegenüber der Extraktionskammer stirnseitig räumlich begrenzt, aber nicht fluiddicht verschlossen ist. Eine mikrofluidische Anordnung dieser Bauform kann besonders kostengünstig hergestellt werden und ist daher insbesondere als Einweg- Vorrichtung geeignet. Die Fiiteranordnung weist bevorzugt wenigstens ein Filterelement und eine mit dem Reaktor verbundene und das Filterelement gegen die Eintrittsöffnung des Reaktors andrückende Filterfassung auf. Die Filterfassung ist form-, reib- und/oder stoffschlüssig, beispielsweise durch Laserschweißen, Kleben oder Verpressen, fest mit dem Reaktorzylinder verbunden. Zur Stabilisation des Filterelements kann vor der Eintrittsöffnung des Reaktors eine Filterauflage angeordnet werden. Ist auf diese Weise auch sichergestellt, dass das Filterelement fluiddicht an der Filterfassung anliegt oder mit dieser verbunden ist, ist ferner gewährleistet, dass das Extrakt auf dem Wege in die Reaktionskammer das Filterelement passieren muss, so dass keine unerwünschten Partikel in die Reaktionskammer gelangen können.This can be realized particularly well when the reactor is designed in the form of a hollow cylinder which fits outside the circumference at least on an axial section into the bore of the extractor cylinder. Inside the reactor cylinder, the reaction chamber is formed, which is spatially limited by the front end of the filter assembly relative to the extraction chamber, but not sealed fluid-tight. A microfluidic arrangement of this design can be produced particularly inexpensively and is therefore particularly suitable as a disposable device. The filter arrangement preferably has at least one filter element and a filter holder which is connected to the reactor and presses the filter element against the inlet opening of the reactor. The filter holder is positively, frictionally and / or cohesively, for example by laser welding, gluing or pressing, firmly connected to the reactor cylinder. To stabilize the filter element, a filter pad can be arranged in front of the inlet opening of the reactor. If in this way it is also ensured that the filter element bears in a fluid-tight manner on the filter holder or is connected thereto, it is further ensured that the extract has to pass the filter element on its way into the reaction chamber so that no undesired particles can enter the reaction chamber.
Um die Zylinder-Kolben-Anordnung in dieser Ausprägung auf einfache Weise fluiddicht gegenüber der Außenwelt zu gestalten, weist die Filterfassung zweck- mäßigerweise ebenfalls eine zylinderförmige Außenkontur auf. Bei entsprechender Passgenauigkeit kann die Filterfassung in den Hohlzyiinder des Extraktors eingepresst sein. Alternativ ist zwischen einer Außenwand der Filterfassung und einer Innenwand des Extraktorzylinders ein Dichtelement angeordnet. Das Dichtelement kann bei hinreichender Elastizität des Materials der Filterfassung in Form einer einstückigen Dichtlippe oder in Form eines separaten Dichtringes ausgebildet sein.In order to make the cylinder-piston arrangement in this embodiment easily fluid-tight with respect to the outside world, the filter holder expediently likewise has a cylindrical outer contour. With appropriate accuracy of fit, the filter holder can be pressed into the Hohlzyiinder of the extractor. Alternatively, a sealing element is arranged between an outer wall of the filter holder and an inner wall of the extractor cylinder. The sealing element may be formed with sufficient elasticity of the material of the filter holder in the form of a one-piece sealing lip or in the form of a separate sealing ring.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Extraktor ein in der Extraktionskammer eingeschlossenes Rührelement auf.According to an advantageous development, the extractor has a stirring element enclosed in the extraction chamber.
Dies kann beispielsweise ein Magnetrührstab (auch Rührfisch genannt) oder ein anderweitig berührungslos angetriebenes Rührelement sein. Alternativ oder unterstützend kann ein Mischeffekt auch durch Schalleintrag, Vibration oder Konvek- tion durch Erhitzung bzw. Kühlung oder durch eine Kombination vorgenannter Maßnahmen erzielt werden. Der Reaktor in Form eines Hohlzylinders weist bevorzugt einen Flansch zum Befestigen auf einem mikrofluidischen Chip auf.This can be, for example, a magnetic stir bar (also known as a stir bar) or an otherwise contact-free driven stirring element. Alternatively or supportively, a mixing effect can also be achieved by sound entry, vibration or convection by heating or cooling or by a combination of the aforementioned measures. The reactor in the form of a hollow cylinder preferably has a flange for mounting on a microfluidic chip.
Das erfindungsgemäße Lab-On-A-Chip-System weist eine mikrofluidische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art mit einem Extraktor, einem Reaktor und einer Filteranordnung und einen mit dem Reaktor fest verbundenen mäkrofluid- ischen Chip auf.The lab-on-a-chip system according to the invention has a microfluidic arrangement of the type described above with an extractor, a reactor and a filter arrangement and a microfluidic chip fixedly connected to the reactor.
Unter „fest verbunden" ist hier im Gegensatz zum Stand der Technik (z.B. Schlauchverbindung) eine unmittelbar körperlich benachbarte Anordnung, ggf. unter Zwischenschaltung einer Dichtung, zu verstehen. Der Reaktor ist dabei beispielsweise mit dem vorerwähnten Flansch bevorzugt mittels geeigneter Befes- tigungsmittel (beispielsweise Schrauben oder Klammerelementen) durch Form- Schluss oder mittels Stoffschluss (Kleben, Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen) direkt auf den mikrofluidischen Chip geflanscht.In contrast to the prior art (eg hose connection), "firmly connected" here means an immediately physically adjacent arrangement, possibly with the interposition of a gasket, for example with the aforementioned flange preferably by means of suitable fastening means (for example Screws or clamp elements) by form-closure or by material bond (gluing, welding, in particular ultrasonic welding) flanged directly onto the microfluidic chip.
In dem erfindungsgemäßen, integrierten Lab-On-A-Chip-System können die gesamten Prozessschritte einer chemischen oder biochemischen Analyse von der Aufbereitung der Probe bis zur Gewinnung oder bis zum Nachweis des Analyten abgebildet werden, unter Vermeidung der im Laborbetrieb notwendigen zahlreichen aufwendigen und oft fehlerbehafteten Einzelschritte. Beispiele für Analysen sind Enzyme Linked lmmunosorbent Assays (ELISA), Polymerase Chain Reaction (PCR).In the integrated lab-on-a-chip system according to the invention, the entire process steps of a chemical or biochemical analysis of the preparation of the sample to recovery or to the detection of the analyte can be mapped, avoiding the numerous complex and often necessary in laboratory operation faulty individual steps. Examples of analyzes are Enzyme Linked Immunosorbent Assays (ELISA), Polymerase Chain Reaction (PCR).
Wenigstens ein Kanal ist in dem mikrofluidischen Chip vorgesehen, der mit der Austrittsöffnung des Reaktors kommuniziert.At least one channel is provided in the microfluidic chip that communicates with the exit port of the reactor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist der mikrofluidische Chip eine Ventil- anordnung zum wahlweise Verbinden oder Trennen des oder der mit der Aus- trittsöffnung des Reaktors kommunizierenden Kanals/Kanäle mit wenigstens einer Zu- und/oder Ableitung auf.In an advantageous development, the microfluidic chip has a valve arrangement for selectively connecting or disconnecting the or the outlet opening of the reactor communicating channel / channels with at least one inlet and / or outlet.
Dies ermöglicht, dass beispielsweise ein oder mehrere verschiedene Reagenzien und/oder Gase nacheinander oder gleichzeitig durch die Zuleitung/en in dem Chip in die Reaktionskammer eingegeben und/oder Extrakt durch die Ableitung/en in dem Chip aus der Reaktionskammer zur weiteren Verarbeitung oder Untersuchung abgeführt werden können. Ein Über- oder Unterdruck in der Reaktionskammer kann wiederum bedingt durch die Entlüftungsöffnung in derselben nicht entstehen. Ein besonderer Anwendungsfall ist die Einleitung von Luft in die Reaktionskammer zum Zweck des Mischens der in der Reaktionsbefindlichen Flüssigkeit mittels Luftblasen. Zu diesem Zweck wie auch zum sicheren Entleeren der Reaktionskammer befindet sich deren Austrittsöffnung am tiefsten Punkt der Reaktionskammer.This allows, for example, one or more different reagents and / or gases to be sequentially or simultaneously injected into the reaction chamber through the lead (s) in the chip and / or extract removed by the lead (s) in the chip from the reaction chamber for further processing or testing can be. An overpressure or underpressure in the reaction chamber, in turn, can not arise due to the venting opening in the same. A particular application is the introduction of air into the reaction chamber for the purpose of mixing the liquid in the reaction by means of air bubbles. For this purpose, as well as for safe emptying of the reaction chamber is the outlet opening at the lowest point of the reaction chamber.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Other objects, features and advantages of the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment with the aid of the drawings. Show it:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lab-On-A-Chip-Systems;Figure 1 is a perspective view of an embodiment of the lab-on-A-chip system according to the invention;
Figur 2 eine Schnittdarstellung des Lab-On-A-Chip-Systems gemäß Figur 1 ;FIG. 2 is a sectional view of the lab-on-a-chip system according to FIG. 1;
Figur 3A eine seitliche Schnittdarstellung zur Illustration eines Anwendungsfalles des erfindungsgemäßen Lab-On-A-Chip-Systems undFigure 3A is a side sectional view illustrating an application of the invention Lab-On-A-chip system and
Figur 3B eine Draufsicht auf die System anordnung gemäß Figur 3A. In den Figuren 1 und 2 ist das erfindungsgemäße Lab-on-a-Chip-System 10 anhand einer Ausführungsform mit einem mikrofiuidischen Chip 12 und einer mikro- fiuidischen Anordnung 14 zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines Extraktes aus einer Probe und zum Überführen derselben in fließfähiger Form in den mikrofiuidischen Chip 12 illustriert. Der mikrofluidische Chip weist eine Ventilanordnung 16 auf, die wahlweise eine oder mehrere Zu- und/oder Ableitungen 18 mit einem Kanal 20 verbindet oder von diesem trennt Beispielsweise geeignete Ventilanordnungen sind in den derzeit noch unveröffentlichten Patentanmeldungen DE 10 2008 002 674.3 oder DE 10 2008 002 675.1 beschrieben. Diese wei- sen einen relativ zu dem Chip beweglich angeordneten Ventilkörper auf, der eine Dichtfläche aufweist und wenigstens einen Kanal zur wahlweisen Verbindung und/oder Trennung von Fluidleitungen in dem Substrat definiert, wobei die Dichtfläche des Ventilkörpers an einer Dichtfläche des Chips fluiddicht anliegt. Der Ventilkörper wird dazu entweder mittels eines mit dem Substrat stoffschlüssig verbundenen Andrückrings oder mittels eines mit dem Substrat formschlüssig verbundenen Klammerelementes gegen den Chip angedrückt, wobei der Andrückring bzw. das Klammerelement und/oder der Ventilkörper zumindest teilelastisch ist.Figure 3B is a plan view of the system arrangement according to Figure 3A. In FIGS. 1 and 2, the lab-on-a-chip system 10 according to the invention is flowable on the basis of an embodiment with a microfluidic chip 12 and a micro-fluidic assembly 14 for extracting and optionally processing an extract from a sample and converting it Form illustrated in the microfluidic chip 12. The microfluidic chip has a valve arrangement 16 which selectively connects or disconnects one or more inlets and / or outlets 18 to a channel 20. Suitable valve arrangements, for example, are described in the still unpublished patent applications DE 10 2008 002 674.3 or DE 10 2008 002 675.1 described. These have a valve body movably arranged relative to the chip, which has a sealing surface and defines at least one channel for the selective connection and / or separation of fluid lines in the substrate, wherein the sealing surface of the valve body lies in a fluid-tight manner against a sealing surface of the chip. For this purpose, the valve body is pressed against the chip either by means of a pressing ring materially connected to the substrate or by means of a clip element positively connected to the substrate, wherein the pressing ring or the clamping element and / or the valve body is at least partially elastic.
Der Kanal 20 mündet in einer trichterförmigen nach oben offenen Erweiterung (oder Ablauftrichter) 22 in dem mikrofiuidischen Chip 12. Der Chip 12 besteht bekanntermaßen aus einem geeigneten Polymermaterial und weist eine im Wesentlichen rechteckige, flache Chipkartenform auf. Geeignete Kunststoffe sind Thermoplaste und Duroplaste, wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymerisat (ABS), Polyoxymethylen (POM), Polyetherketone (PEEK), Polyme- thylmethacrylat (PMMA), Cyclo-Olefin-Copolymere (COC), Zyklische Olefin Polymere (COP)1 Polycarbonat (PC). Der Chip 12 ist typischerweise wenige Millimeter dick, wobei die Kanalstrukturen von der Ober- und/oder Unterseite in das Substrat eingearbeitet sind und jeweils von der Ober- bzw. Unterseite mit einer dünnen Folie versiegelt werden. Auf der Oberseite 24 des Chips 12 befindet sich die mikrofluidische Anordnung 14. Diese weist einen Extraktor 30, einen Reaktor 32 und eine Filteranordnung 34 auf. Der Extraktor 30 weist eine Zylinder-Kolben-Anordnung auf, wobei Teile der Filter- anordnung 34 und des Reaktors 32 den Kolben bilden. Der dem Extraktor 30 zugeordnete Zylinder 36 weist einen Zylindermantel 38 und einen Zylinderdecke! 40 auf, welcher mittels Schrauben 42 fest mit dem Zylindermantel 38 verbunden und mittels einer Dichtung 44 abgedichtet ist. Der Zylinder 36 schließt, auf der dem Zylinderdeckel 40 gegenüberliegenden Seite durch den Kolben und genauer durch die Filteranordnung 34 begrenzt, ein Volumen, nämlich die Extraktionskammer 46 ein. In die Extraktionskammer wird durch den zunächst geöffneten Zylinderdeckel 40 die Probe und ein Extraktionspuffer eingebracht und der Deckel 40 anschließend wieder verschlossen. Für eine einfachere Handhabung kann anstelle des mittels der Schrauben 42 fixierten Deckels ein Schraubdeckelver- Schluss, ein Schnapp- oder Klickverschluss oder eine Klebefläche eingesetzt werden.The channel 20 terminates in a funnel-shaped, open-topped extension (or drainage funnel) 22 in the microfluidic chip 12. As is known, the chip 12 is made of a suitable polymer material and has a substantially rectangular, flat chip card shape. Suitable plastics are thermoplastics and thermosets, such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polyoxymethylene (POM), polyether ketones (PEEK), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclo-olefin copolymers (COC), cyclic olefin polymers ( COP) 1 polycarbonate (PC). The chip 12 is typically a few millimeters thick, wherein the channel structures are incorporated from the top and / or bottom in the substrate and are each sealed from the top or bottom with a thin film. On the upper side 24 of the chip 12 is the microfluidic assembly 14. This has an extractor 30, a reactor 32 and a filter assembly 34. The extractor 30 has a cylinder-piston arrangement with parts of the filter assembly 34 and the reactor 32 forming the piston. The extractor 30 associated cylinder 36 has a cylinder jacket 38 and a cylinder ceiling! 40, which is connected by means of screws 42 fixed to the cylinder jacket 38 and sealed by a seal 44. The cylinder 36, on the side opposite the cylinder cover 40 by the piston and more precisely by the filter assembly 34 limited, a volume, namely the extraction chamber 46 a. The sample and an extraction buffer are introduced into the extraction chamber through the initially open cylinder cover 40, and the cover 40 is subsequently closed again. For easier handling, instead of the cover fixed by means of the screws 42, a screw cap closure, a snap or click fastener or an adhesive surface can be used.
In der Extraktionskammer 46 befindet sich ferner ein Rührelement 48 in Form eines magnetischen Rührstäbchens zum Mischen der Probe mit dem Extraktions- puffer. Der Extraktionszylinder 36 ist gegenüber dem Kolben, d.h. gegenüber der Filteranordnung 34 und dem Reaktor 32 in Axialrichtung verschiebbar. Auf diese Weise kann durch Druck von oben auf den Extraktionszyiinder 36 das Extraktionsvolumen 46 komprimiert werden.In the extraction chamber 46 is also a stirring element 48 in the form of a magnetic stirring bar for mixing the sample with the extraction buffer. The extraction cylinder 36 is opposite the piston, i. relative to the filter assembly 34 and the reactor 32 in the axial direction displaceable. In this way, by extraction from above the extraction cylinder 36, the extraction volume 46 can be compressed.
Die Filteranordnung 34 besteht im Wesentlichen aus einem oder mehreren Filterelementen 50, einer Fiiterfassung 52 und einer Filterauflage 54. Die Filterfassung weist eine zylinderförmige Außenkontur auf, in die eine Ringnut 56 zur Aufnahme eines Dichtrings eingelassen ist. Dieser Dichtring dichtet die Extraktionskammer 46 gegenüber der Außenwelt ab, so dass keine Flüssigkeit zwischen dem Extrak- torzylinder 36 und dem Kolben austreten kann. Der Reaktor 32 besteht im Wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Mantel (kurz Hohlzylinder) 58 mit einem einseitig einstückig angebrachten Flansch 60. Der Hohlzyiinder 58 weist eine Durchgangsbohrung auf, die die Reaktionskammer 62 mit einer Eintrittsöffnung auf ihrer Oberseite und einer Austrittsöffnung auf ihrer Unterseite bildet. Auf der Unterseite des Flansches 60 und korrespondierend auf der Oberseite 24 des Chips 12 befindet sich jeweils eine Ringnut 64 gleichen Durchmessers zur Aufnahme eines Dichtringes. Alternativ kann die Ringnut auch entweder nur in den Flansch oder nur in den Chip eingearbeitet sein. Der Flansch 60 ist mittels einer Schraubverbindung 66 fest mit dem Chip 12 verbunden und mittels des Dichtringes abgedichtet, so dass keine Flüssigkeit aus der Reaktionskammer 62 an dieser Stelle in die Umgebung entweichen kann.The filter assembly 34 consists essentially of one or more filter elements 50, a Fiiterfassung 52 and a filter pad 54. The filter holder has a cylindrical outer contour, in which an annular groove 56 is recessed for receiving a sealing ring. This sealing ring seals the extraction chamber 46 from the outside world so that no liquid can escape between the extractor cylinder 36 and the piston. The reactor 32 consists essentially of a hollow cylindrical shell (short hollow cylinder) 58 with a one-sided integrally attached flange 60. The Hohlzyiinder 58 has a through hole, which forms the reaction chamber 62 with an inlet opening on its upper side and an outlet opening on its underside. On the underside of the flange 60 and corresponding to the top 24 of the chip 12 is in each case an annular groove 64 of the same diameter for receiving a sealing ring. Alternatively, the annular groove can also be incorporated either only in the flange or only in the chip. The flange 60 is connected by means of a screw 66 fixed to the chip 12 and sealed by means of the sealing ring, so that no liquid can escape from the reaction chamber 62 at this point in the environment.
Die Austrittsöffnung der Reaktionskammer 62 ist auf die trichterförmige Aufwei- tung 22 in den mikrofiuidischen Chip 12 ausgerichtet und steht somit in fluidischer Verbindung mit dem Kanal 20 des mikrofiuidischen Chips 12. Das obere, offene Ende der trichterförmigen Aufweitung 22 weist einen etwas größeren Durchmesser als die Durchgangsbohrung der Reaktionskammer 62 auf. Dies stellt sicher, dass nach dem Entleeren der Reaktionskammer 62 keine Flüssigkeit in Toträu- men oder Ecken im Übergang von dem Extraktor 32 zum Chip 12 zurückbleibt.The exit opening of the reaction chamber 62 is aligned with the funnel-shaped widening 22 in the microfluidic chip 12 and thus is in fluid communication with the channel 20 of the microfluidic chip 12. The upper, open end of the funnel-shaped widening 22 has a slightly larger diameter than that Through hole of the reaction chamber 62 on. This ensures that after emptying the reaction chamber 62 no liquid remains in dead spaces or corners in the transition from the extractor 32 to the chip 12.
In der Reaktionskammer 62 befindet sich ferner ein exzentrisch zu der Durchgangsbohrung angeordnetes Kapillarröhrchen 68. Das Kapillarröhrchen 68 durchstößt auf seiner Unterseite den mikrofiuidischen Chip 12. Es ist nach oben und unten offen, so dass es eine Entlüftungsöffnung bereitstellt, die das Volumen der Reaktionskammer 62 mit der Umgebung verbindet. Wahlweise kann an dem einen und/oder anderen Ende des Röhrchens 68 ein Filter vorgesehen sein, welcher ein Austreten von Keimen in die Umgebung oder umgekehrt ein Eindringen von Verunreinigungen in das Extrakt verhindert. Auf der oberen Stirnfläche des Reaktorzylinders 58 liegt die Filterauflage 54 auf. Diese trägt bzw. unterstützt das oder die Filtereiemente 50. Die Filterfassung 52 ist hülsenförmig ausgebildet und weist auf ihrer Unterseite ein Innengewinde auf, welches mit einem korrespondierenden Außengewinde des Reaktorzylinders 58 verschraubt ist. Hierdurch drückt die Filterfassung 52 mit einem ringförmigen einwärts gerichteten Rand die Filterelemente 50 gegen die Filterauflage 54 an, welchen wiederum gegen den Reaktorzylinder 58 abgestützt ist. Hierdurch bildet sich ein fluiddichter Kontakt zwischen dem ringförmigen Rand der Filterfassung 52 und dem Filterelement, wodurch sichergestellt wird, dass das Extrakt beim Nie- derdrücken des Extraktorzylinders nur durch das Filterelement in die Reaktionskammer 62 gelangen kann, so dass keine unerwünschten Feststoffe an dem Filterelement vorbei dorthinein gelangen können.The capillary tube 68 pierces on its underside the microfluidic chip 12. It is open at the top and bottom, so that it provides a vent opening, the volume of the reaction chamber 62 with the environment connects. Optionally, at the one and / or other end of the tube 68, a filter may be provided, which prevents the escape of germs into the environment or, conversely, the penetration of impurities into the extract. On the upper end face of the reactor cylinder 58, the filter pad 54 is located. This carries or supports the or the filter elements 50. The filter holder 52 is sleeve-shaped and has on its underside an internal thread, which is screwed to a corresponding external thread of the reactor cylinder 58. As a result, the filter holder 52 with an annular inwardly directed edge presses the filter elements 50 against the filter support 54, which in turn is supported against the reactor cylinder 58. This forms a fluid-tight contact between the annular edge of the filter holder 52 and the filter element, thereby ensuring that the extract can only pass through the filter element into the reaction chamber 62 when depressing the extractor cylinder, so that no undesirable solids past the filter element can get there.
Die Filterauflage 54 weist auf ihrer Unterseite mittig eine Abtropfnase 70 auf, an welcher sich das durch das oder die Filterelemente 50 gedrückte Extrakt zunächst sammelt, bevor es in die Reaktionskammer 52 tropft. Hierdurch wird verhindert, dass das Extrakt auf Undefiniertem Weg in die Extraktionskammer 62 gelangt. Insbesondere wird vermieden, dass das Extrakt die Entiüftungsöffnung des Kapil- larröhrchens 68 verschließt.The filter pad 54 has centrally on its underside a drip-off nose 70, at which the extract pressed by the filter element or elements 50 first collects before it drips into the reaction chamber 52. This prevents the extract from entering the extraction chamber 62 on an undefined path. In particular, it is avoided that the extract occludes the vent opening of the capillary tube 68.
In der vorliegenden Ausführungsform sind insgesamt drei Filterelemente 50 montiert. Diese sind im Einzelnen zuoberst und zuunterst jeweils ein Edelstahlfilter mit einer Porengröße von 200 μm und dazwischenliegend ein Filter aus Polyamid mit einer Porengröße von 20 μm. Die Abstufung der Porengröße der Filter von dem größeren zum kleineren Querschnitt führt dazu, dass im ersten Filter nur die größten Partikel zurückgehalten werden und ausreichend große Durchlassöffnungen für kleinere Partikel bilden, die dann in der nächsten Filterstufe aufgefangen werden. Eine Fouling wird hierdurch weitgehend verhindert. Das dritte Filterelement mit der wieder größeren Porengröße dient zur Stützung des mittleren, feineren Filterelements. Es kann alternativ oder ergänzend ein Filterzusatz in Form von Partikeln eingesetzt werden, der ähnlich dem ersten groben Filter eine für feine Partikel durchlässige Matrix bildet und ein Fouling verhindert.In the present embodiment, a total of three filter elements 50 are mounted. These are in each case at the top and at the bottom each a stainless steel filter with a pore size of 200 microns and intervening a filter made of polyamide with a pore size of 20 microns. The grading of the pore size of the filter from the larger to the smaller cross-section means that only the largest particles are retained in the first filter and form sufficiently large passage openings for smaller particles, which are then collected in the next filter stage. A fouling is thereby largely prevented. The third filter element with the again larger pore size serves to support the middle, finer filter element. It may alternatively or additionally a filter additive in the form of Particles are used, which forms similar to the first coarse filter for a fine particle-permeable matrix and prevents fouling.
Das gezeigte System ermöglicht die Filtration von Proben bei hohen Drücken von bis zu 10 bar. Hierbei lassen sich sehr gute Filtrationsergebnisse erzielen, ohne dass das Fiiterelement verstopft. Andererseits stellt die Entlüftung sicher, dass in dem Kanalsystem des mikrofluidischen Chips 12 die Fluidkontrolle trotz des hohen Druckes nicht verloren geht.The system shown allows the filtration of samples at high pressures of up to 10 bar. Very good filtration results can be achieved without clogging the filter element. On the other hand, the venting ensures that in the channel system of the microfluidic chip 12, the fluid control is not lost despite the high pressure.
In einem unteren axialen Abschnitt weist das Reaktorrohr 58 eine umfänglich angeordnete Heizmanschette 72 auf. Diese kann bei Bedarf zur Umsetzung des Extrakts beispielsweise bei einer chemischen und/oder thermischen Lyse oder zur Beschleunigung durch Erwärmen des Extrakts eingesetzt werden.In a lower axial section, the reactor tube 58 has a heating sleeve 72 arranged circumferentially. If necessary, it can be used to convert the extract, for example in the case of chemical and / or thermal lysis, or for acceleration by heating the extract.
Anstelle der gezeigten Ausführungsform mit Flansch können Chip und Reaktor auch einstückig ausgebildet sein. Anstelle der Verschraubung des Flansches kann die Verbindung auch formschlüssig durch eine Art „Schnellverschluss" (Klickverbindung) oder durch Stoffschluss (Schweiß- oder Kiebeverbindung) erfolgen.Instead of the illustrated embodiment with flange chip and reactor may also be integrally formed. Instead of screwing the flange, the connection can also be made form-fitting by a kind of "quick release" (click connection) or by material connection (welding or Kiebeverbindung).
Anstelle der in den Figuren gezeigten Orientierung kann die Vorrichtung auch für einen Überkopfbetrieb bestimmt und ausgelegt sein. In diesem Fall kann der Extraktor-Zylinder einen festen Boden aufweisen und von der Seite seiner (einzigen) Öffnung her befüllt und anschließend in dieser Orientierung von unten auf den Reaktor-Zylinder aufgesetzt werden. Der Überkopfbetrieb bewirkt unter Um- ständen bereits eine Sedimentation, das heißt eine Abscheidung der schwersten, größten Partikel auf der Bodenfläche des Extraktor-Zylinders. Auf diese Weise kann je nach Anwendung der Filtervorgang unterstützt werden, beispielsweise durch eine Auftrennung der Probenbestandteile im Falle von Bodenproben. In den Figuren 3A und 3B wird eine Darstellung des erfindungsgemäßen Lab-on- a-Chip-Systems 10 zur Illustration der Funktionsweise insbesondere der Einleitung von Substanzen in die Reaktionskammer gezeigt. Wie in der seitlichen Schnittdarstellung gemäß Figur 3A am besten zu erkennen ist, befindet sich die erftndungs- gemäße mikrof luidische Anordnung 14 auf der Oberseite des Chips 12. Von dessen Unterseite ist das Gehäuse der Ventilanordnung 16 angeflanscht. Die Ventilanordnung beinhaltet ein Drehventil, mit einem Ventilkörper, der wenigstens einen relativ zu dem Chip durch Drehung verstellbaren Kanal zum wahlweise Verbinden wenigstens zweier Fluidkanäle in dem Chip aufweist Insgesamt sind 6 Zu- bzw. Ableitungen 18 und der Kanal 20 mit dem Drehventil 16 verbunden, wie In der Draufsicht gemäß Figur 3B zu erkennen ist Die Zu- bzw. Ableitungen 18 a, 18 b, 18 c und 18d bestehen innerhalb des Chips 12 aus jeweils einem Kanal, der seiner Struktur nach dem Kanal 20 ähnlich ist, und außerhalb des Chips aus einem Anschlussstück, in diesem Fall jeweils ein Schlauchabschnitt. Die beiden übrigen Zu- bzw. Ableitungen 18 haben kein externes Anschlussstück. Wahlweise kann durch Drehen des Ventils (manuell oder automatisch) der Kanal 20 mit dem Ende zumindest einer Zu- bzw. Ableitung 18 verbunden werden.Instead of the orientation shown in the figures, the device may also be designed and configured for overhead operation. In this case, the extractor cylinder may have a solid bottom and be filled from the side of its (single) opening and then placed in this orientation from below on the reactor cylinder. Under certain circumstances, overhead operation already causes sedimentation, ie separation of the heaviest, largest particles on the bottom surface of the extractor cylinder. In this way, depending on the application of the filtering process can be supported, for example by a separation of the sample components in the case of soil samples. FIGS. 3A and 3B show an illustration of the lab-on-a-chip system 10 according to the invention for illustrating the mode of operation, in particular the introduction of substances into the reaction chamber. As can best be seen in the lateral sectional view according to FIG. 3A, the microfluidic arrangement 14 according to the invention is located on the upper side of the chip 12. The housing of the valve arrangement 16 is flanged from its underside. The valve assembly includes a rotary valve having a valve body having at least one channel rotatable relative to the chip for selectively connecting at least two fluid channels in the chip. In total, six inlets and outlets 18 and the channel 20 are connected to the rotary valve 16. As can be seen in the plan view according to FIG. 3B The inlets or outlets 18 a, 18 b, 18 c and 18 d consist within the chip 12 of a respective channel which is similar in structure to the channel 20 and outside the chip from a connecting piece, in this case in each case a hose section. The other two supply and discharge lines 18 have no external connector. Alternatively, by turning the valve (manually or automatically), the channel 20 can be connected to the end of at least one inlet or outlet 18.
Das Chipdesign und die Ventiifunktionalität sind hier nur beispielhaft angedeutet. Es liegt im Ermessen des Fachmanns, die Ventilanordnung für die jeweilige Anforderung auszulegen.The chip design and the Ventiifunktionalität are indicated here only by way of example. It is at the discretion of a person skilled in the art to design the valve arrangement for the respective requirement.
Beispielhaft sind an die Zuleitungen 18a und 18b und genauer an den freien Enden deren Schlauchabschnitte jeweils eine Spritze oder Pumpe 74 bzw. 76 ange- schlössen. Die Spritze 74 sei in dem gezeigten Beispiel mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Die Spritze 76 kann mit einem geeigneten Reagenz, beim Immu- noassay beispielsweise mit einer Antikörper-Bead-Lösung oder beim DNA-Assay mit einem Reagenz zur chemischen und/oder thermischen Lyse und / oder mit Bindungsadditiven gefüllt sein. Zur Durchführung eines Immunoassay wir das Ventil in der Ventilanordnung 16 deshalb zunächst so betätigt, dass eine Verbin- dung zwischen der Zuleitung 18b und dem Kanal und damit zwischen der Spritze 76 und der Reaktionskammer 62 hergestellt wird. Die in der Spritze 76 befindliche Lösung wird injiziert. Danach wird die Ventilanordnung 16 so eingestellt, dass die gasgefülite Spritze mit der Reaktionskammer 62 verbunden ist. Jetzt wird die Spritze 74 betätigt, so dass das darin befindliche Gas durch die Zuleitung 18a und den Kanal 20 in die Reaktionskammer 62 gefeitet wird. Dabei wird zunächst die restliche Lösung aus dem Kanal 20 in die Reaktionskammer 62 entleert. Anschließend tritt das Gas dort in Form von Blasen 78 aus der Mündung des Kanals 20 aus. Die Blasen 78 steigen in der extrahierten Flüssigkeit in der Reaktionskammer 62 auf und dienen dabei insbesondere zur Durchmischung desselben, in diesem Beispiel also des Filtrats mit der Antikörper-Bead-Lösung.By way of example, a syringe or pump 74 or 76 are connected to the supply lines 18a and 18b, and more precisely to the free ends of the tube sections. The syringe 74 is filled in the example shown with air or another gas. The syringe 76 may be filled with a suitable reagent, for example with an antibody bead solution in the case of immunoassay or with a reagent for chemical and / or thermal lysis and / or with binding additives in the DNA assay. Therefore, in order to carry out an immunoassay, the valve in the valve arrangement 16 is first actuated in such a way that a connection is made. tion between the supply line 18 b and the channel and thus between the syringe 76 and the reaction chamber 62 is produced. The solution in the syringe 76 is injected. Thereafter, the valve assembly 16 is adjusted so that the gas-filled syringe is connected to the reaction chamber 62. Now, the syringe 74 is actuated so that the gas therein is supplied through the supply line 18 a and the channel 20 into the reaction chamber 62. In this case, first the remaining solution from the channel 20 is emptied into the reaction chamber 62. Subsequently, the gas exits there in the form of bubbles 78 from the mouth of the channel 20. The bubbles 78 rise in the extracted liquid in the reaction chamber 62 and serve in particular for the mixing thereof, in this example thus the filtrate with the antibody bead solution.
Ist die Lyse bzw. das Labelling in der Reaktionskammer 62 abgeschlossen, wird die Ventilanordnung so verstellt, dass das Ende des Kanals 20 mit dem Anfang einer anderen Ableitung 18, 18c, 18d verbunden wird. Das Gemisch in der Reaktionskammer 62 kann über den so gebildeten Mikrofluidweg durch den mikrofluid- ischen Chip 12 beispielsweise einem angeschlossenen oder ebenfalls auf dem Chip angeordneten Aufkonzentrations- und Detektionsmodul (nicht dargestellt) überführt werden.When the lysis or labeling in the reaction chamber 62 is completed, the valve arrangement is adjusted so that the end of the channel 20 is connected to the beginning of another discharge line 18, 18c, 18d. The mixture in the reaction chamber 62 can be transferred via the microfluidic path thus formed through the microfluidic chip 12, for example to a connected or also on-chip concentration and detection module (not shown).
Die zuvor beschriebene Entlüftung der Reaktionskammer 62 stellt bei dem gesamten Prozess stets einen kontrollierten Fluidtransport mit sehr geringen Druckdifferenzen sicher. Ein Versuch hat gezeigt, dass durch die Entlüftungskapillare es möglich ist, den Fiüssigkettstransport aus der Reaktionskammer in den Chip so robust zu gestalten, dass keine weitere Prozesskontroile, wie z.B. Sensoren zur Detektion des Flüssigkeitsstandes in den Fluidkanälen am Ausgang des Extrak- tors notwendig sind.The venting of the reaction chamber 62 described above always ensures a controlled fluid transport with very small pressure differences throughout the process. An experiment has shown that the vent capillary makes it possible to make fluid transport from the reaction chamber into the chip so robust that no further process controls, such as e.g. Sensors are necessary for detecting the liquid level in the fluid channels at the outlet of the extractor.
Zur Erläuterung der Patentansprüche sei angemerkt, dass die Begriffe Zuleitung, Ableitung, Reaktor, Extraktor, Ventilanordnung oder Filteranordnung in erster Linie funktiona! zu verstehen sind. Strukturell können der den Reaktor bildende Gehäuseabschnitt und die Fiiteranordnung zugleich ein Teil des Extraktors, nämlich des Kolbens sein, wie das Ausführungsbeispiel zeigt. Die Zu- und Ableitungen unterscheiden sich struktureil zumindest innerhalb des Chips nicht von dem Kanal. Funktional bilden sie aber eine Verbindung zwischen dem Ventil und einer Peripherie, während der Kanal den Verbindungsabschnitt zwischen dem Ventil und der Reaktionskammer beschreibt. To explain the claims, it should be noted that the terms supply line, discharge, reactor, extractor, valve arrangement or filter arrangement in the first place functiona! to be understood. Structurally, the housing section forming the reactor and the filter arrangement can at the same time be part of the extractor, namely the piston, as the exemplary embodiment shows. The supply and discharge lines structurally do not differ at least within the chip from the channel. Functionally, however, they form a connection between the valve and a periphery, while the channel describes the connection section between the valve and the reaction chamber.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Lab-on-a-Chιp-System10 Lab-on-a-Chιp system
12 mikrofluidischer Chip12 microfluidic chip
14 mikrofluidische Anordnungen14 microfluidic arrangements
16 Ventilanordnung16 valve arrangement
18, 18a, 18b, 18c, 18d Zu- und/oder Ableitungen18, 18a, 18b, 18c, 18d supply and / or discharges
20 Kanal20 channel
22 Ablauftrichter22 drain funnel
24 Oberseite24 top
30 Extra ktor30 extra ktor
32 Reaktor32 reactor
34 Filteranordnung34 filter arrangement
36 Zylinder36 cylinders
38 Zylindermantel38 cylinder jacket
40 Zylinderdeckel40 cylinder cover
42 Schrauben42 screws
44 Dichtung44 seal
46 Extraktionskammer46 extraction chamber
48 Rührelement48 stirring element
50 Filterelement50 filter element
52 Fiiterfassung52 Fiiterfassung
54 Filterauflage54 filter support
56 Ringnut56 annular groove
58 Hohlzylinder58 hollow cylinders
60 Flansch60 flange
62 Reaktionskammer62 reaction chamber
64 Ringnut64 ring groove
66 Schraubverbindung66 screw connection
68 Kapillarröhrchen 70 Abtropfnase68 capillary tubes 70 drip nose
72 Heizmanschette72 heating jacket
74 Spritze74 syringe
76 Spritze76 syringe
78 Blasen 78 bubbles

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrofluid ischθ Anordnung (14) zum Gewinnen und gegebenenfalls Bearbeiten eines Extraktes aus einer Probe und zum Überführen desselben in fließfähiger Form in einen mikrofluidischen Chip (12) mit1. microfluid ischθ arrangement (14) for obtaining and optionally processing an extract from a sample and for transferring the same in a flowable form in a microfluidic chip (12)
- einem Extraktor (30), der eine komprimierbare Extraktionskammer (46) und mindestens eine Öffnung derselben aufweist,an extractor (30) having a compressible extraction chamber (46) and at least one opening thereof;
- einem Reaktor (32), der eine Reaktionskammer (62), eine mit der mindestens einen Öffnung des Extraktors kommunizierende Eintrittsöff- nung, wobei die beiden Öffnungen ein Fließweg zwischen den Kammern definieren, eine Austrittsöffnung zur fluidischen Verbindung mit dem mikrofluidischen Chip (12) und eine Entlüftungsöffnung der Reakti- onskammer (62) aufweist, unda reactor (32) having a reaction chamber (62), an inlet opening communicating with the at least one opening of the extractor, the two openings defining a flow path between the chambers, an outlet opening for fluid communication with the microfluidic chip (12) and a vent opening of the reaction chamber (62), and
- einer in den FÜeßweg zwischen dem Extraktor und dem Reaktor (32) geschalteten Filteranordnung (34).- One in the Füeßweg between the extractor and the reactor (32) connected filter assembly (34).
2. Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung (34) wenigstens ein Filterelement (50) und eine mit dem Reaktor (32) verbundene und das FiI- terelement (50) gegen die Eintrittsöffnung des Reaktors (32) andrückende2. Microfluidic arrangement (14) according to claim 1, characterized in that the filter arrangement (34) at least one filter element (50) and one connected to the reactor (32) and the filter terelement (50) against the inlet opening of the reactor (32 ) pressing
Fiiterfassung (52) aufweist.Fiiterfassung (52).
3. Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktor (30) eine Zylinder- Kolbenanordnung aufweist, die die komprimierbare Extraktionskammer (46) einschließt.The microfluidic assembly (14) of claim 1 or 2, characterized in that the extractor (30) comprises a cylinder-piston assembly that encloses the compressible extraction chamber (46).
4. Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder des Extraktors (30) relativ zu der Filteranordnung (34) und dem Reaktor (32) verschiebbar ist und dass die Filteranordnung (34) und/oder der Reaktor (32) zumindest teilweise dem Koiben zugeordnet sind oder diesen bilden.4. Microfluidic device (14) according to claim 3, characterized in that the cylinder of the extractor (30) relative to the filter assembly (34) and the reactor (32) is displaceable and that the filter assembly (34) and / or the reactor (32) are at least partially associated with or form the Koiben.
5. Mikrofluidische Anordnung (14) nach Anspruch 4 in Verbindung mit Ans- pruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Außenwand der Filterfassung (52) und einer Innenwand des Zylinders (36) ein Dichtelement angeordnet ist.5. Microfluidic arrangement (14) according to claim 4 in conjunction with claim 2, characterized in that between a outer wall of the filter holder (52) and an inner wall of the cylinder (36) is arranged a sealing element.
6. Mikrofluid ische Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Extraktor (30) ein in der Extraktionskammer (46) eingeschlossenes Rührelement (48) aufweist.6. microfluidic device (14) according to any one of the preceding claims, characterized in that the extractor (30) has a in the extraction chamber (46) enclosed stirring element (48).
7. Mikrofluidische Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) in Form eines Hohlzylin- ders (58) ausgebildet ist.7. Microfluidic arrangement (14) according to any one of the preceding claims, characterized in that the reactor (32) in the form of a hollow cylinder (58) is formed.
8. Mikrofluidische Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) einen Flansch (60) zum Befestigen auf einem mikrofiuidischen Chip (12) aufweist.The microfluidic assembly (14) of any of the preceding claims, characterized in that the reactor (32) has a flange (60) for attachment to a microfluidic chip (12).
9. Lab-On-A-Chip-System (10) mit einer mikrofiuidischen Anordnung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem mit dem Reaktor (32) fest verbundenen mikrofiuidischen Chip (12).9. lab-on-a-chip system (10) having a microfiuidischen arrangement (14) according to any one of the preceding claims and with the reactor (32) fixedly connected microfiuidischen chip (12).
10. Lab-On-A-Chip-System (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kanal (20) in dem mikrofiuidischen Chip (12) mit der Austrittsöffnung des Reaktors (32) kommuniziert. 10. lab-on-a-chip system (10) according to claim 9, characterized in that at least one channel (20) in the microfiuidischen chip (12) communicates with the outlet opening of the reactor (32).
11. Lab-On-A-Chip-System (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Chip (12) eine Ventilanordnung (16) zum wahlweise Verbinden oder Trennen des mit der Austrittsöffnung des Reaktors (32) kommunizierenden Kanals (20) mit bzw. von wenigstens einer Zu- und /oder Ableitung (18; 18a; 18b; 18c; 18d) aufweist.11. lab-on-a-chip system (10) according to claim 9 or 10, characterized in that the microfluidic chip (12) has a valve arrangement (16) for selectively connecting or disconnecting the with the outlet opening of the reactor (32) communicating Channel (20) with or from at least one inlet and / or outlet (18; 18a; 18b; 18c; 18d).
12. Lab-On-A-Chip-System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung durch ein Kapillar- röhrchen (68) in der Reaktionskammer (62) bereitgestellt wird12. lab-on-a-chip system (10) according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the vent opening is provided by a capillary tube (68) in the reaction chamber (62)
13. Lab-On-A-Chip-System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine den Reaktor (32) zumindest Abschnittsweise umgebende Heizeinrichtung(72).13. lab-on-a-chip system (10) according to any one of claims 9 to 12, characterized by a reactor (32) at least partially surrounding heater (72).
14. Lab-On-A-Chip-System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) ein integraler Bestandteil des mikrofluid ischen Chips (12) ist.14. Lab-on-A-chip system (10) according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the reactor (32) is an integral part of the microfluidic chip (12).
15. Lab-On-A-Chip-System (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (32) an den mikrofluid ischen15. lab-on-a-chip system (10) according to claim 14, characterized in that the reactor (32) to the microfluidic ischen
Chip (12) einstückig angeformt ist. Chip (12) is integrally formed.
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