EP3154692B1 - Fluidikmodul, vorrichtung und verfahren zum handhaben von flüssigkeit - Google Patents

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EP3154692B1
EP3154692B1 EP15731267.9A EP15731267A EP3154692B1 EP 3154692 B1 EP3154692 B1 EP 3154692B1 EP 15731267 A EP15731267 A EP 15731267A EP 3154692 B1 EP3154692 B1 EP 3154692B1
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EP
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compression chamber
fluid
channel
liquid
fluid channel
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EP15731267.9A
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Frank Schwemmer
Steffen ZEHNLE
Nils Paust
Daniel Mark
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Hahn-Schickard-Gesellschaft fur Angewandte Forsch
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Publication date
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    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084—Passive control of flow resistance

Definitions

  • the present invention relates to a fluidic module, apparatus and method for handling liquid which are particularly suitable for handling such as retaining and releasing or pumping liquid in a centrifugal microfluidic system.
  • Centrifugal microfluidics deals with the handling of liquids in the pl to ml range in rotating systems.
  • Such systems are mostly disposable polymer cartridges used in or in place of centrifuge rotors, with the intention of enabling completely novel processes that can not be imaged by manual processes or pipetting robots due to the required precision or volume, or to automate laboratory processes.
  • Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting can be implemented in a microfluidic cartridge.
  • the cartridges contain channels for fluid guidance, as well as chambers for collecting liquids.
  • the cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the fluids in the cartridges can be guided by inertial forces into corresponding chambers.
  • Centrifugal microfluidics is mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics.
  • centrifugal microfluidic disks known, for example, under the names “Lab-on-a-disk”, “Lab-Disk”, and “Lab-on-CD", which fall into special Processing devices are used.
  • Other formats such as a microfluidic centrifuge tube, known as “LabTube”, can be used in rotors of existing standard laboratory equipment.
  • a certain threshold of the rotational frequency (threshold frequency) must be exceeded in order to retain the fluid in the first fluid chamber.
  • the same threshold frequency must subsequently be exceeded in order to return the liquid via the siphon vertex and to start the fluid transfer from the first fluid chamber into the second fluid chamber.
  • the threshold frequency should be as high as possible.
  • the threshold frequency in pneumatic pumping should be as high as possible in order to minimize the influence of capillary forces.
  • the siphon is usually filled even at high rotational frequencies (even if the deceleration rate is several 10 Hz / s).
  • the inventors have realized that this entails disadvantages.
  • the inclusion of air bubbles and thus the malfunction of the siphon can be the result.
  • This effect could be minimized in a siphon with a small cross-sectional area, but this would increase the dependence on capillary forces, as well as the fluidic resistance and thus the time required for the fluid transfer.
  • the object of the present invention is to provide a fluidic module, a device and a method for handling, in particular pumping, a liquid, which allow a time-controlled and decoupled from the centrifuge dynamics pumping over a certain radial distance.
  • Embodiments of the invention provide an apparatus for handling, in particular pumping, fluid with a fluidic module as described herein and a drive apparatus configured to apply rotations to the fluidic module at different rotational frequencies.
  • the drive device is configured to, in a first phase, pressurize the fluidic module with rotation at a rotational frequency at or above a first rotational frequency at which fluid is centrifugally driven through the first fluid channel into the first compression chamber, at which first compression chamber is filled with the liquid and is driven at the liquid from the first compression chamber into the second fluid passage, thereby to enclose and compress the compressible medium in the second compression chamber.
  • the drive device is further configured to lower the rotational frequency in a second phase after the first phase below a second rotational frequency at which the force exerted on the fluid by the compressed medium in the second compression chamber outweighs the centrifugal force exerted by the fluid, so that expands the compressible medium and thereby fluid is driven from the second fluid channel into the first compression chamber, from the first compression chamber into the outlet channel and through the outlet channel.
  • Embodiments of the invention provide a method of handling fluid with a fluidic module as described herein.
  • the fluidic module is rotated with rotation at a rotational frequency at or above a first rotational frequency to centrifugally drive liquid through the first fluid channel into the first compression chamber to fill the first compression chamber with the fluid and to remove fluid from the first compression chamber driving the first compression chamber into the second fluid channel to thereby enclose and compress the compressible medium in the second compression chamber.
  • the rotational frequency is lowered below a second rotational frequency at which the force exerted on the fluid by the compressed medium in the second compression chamber outweighs the centrifugal force exerted by the fluid so that the compressible medium expands and thereby Fluid is driven from the second fluid channel into the first compression chamber, from the first compression chamber into the outlet channel and through the outlet channel.
  • Embodiments of the invention thus relate to fluidic modules, devices and methods suitable for controlled release and controlled passage of liquid through a channel, and more particularly to such fluidic modules, devices and methods suitable for timed pumping of a liquid in centrifuge rotors.
  • Embodiments of the invention are based on the realization that it is possible by providing a first compression chamber, a second compression chamber and a second fluid channel, which fluidly connects the first and the second compression chamber, and a corresponding design of the course and the dimensions of the second fluid channel.
  • the dynamics of the pumping action through the exhaust passage during and after the reduction of the rotational frequency passive, that is to control without further change of the rotational frequency.
  • the second fluid channel may have a higher flow resistance than the outlet channel.
  • the cross section of the second fluid channel may be small enough to represent a flow resistance for the liquid that is higher than the flow resistance of the outlet channel.
  • the viscosity of the liquid e.g., water
  • the viscosity of the compressible medium e.g., air
  • the pumping process takes place through the outlet channel at a much higher flow rate, which is not limited by the flow resistance in the second fluid channel. Due to the delay of the pumping process, the conduction of the liquid through the outlet channel thus at any rotational frequency, especially at standstill, take place.
  • the end of the second fluid channel may be located radially further out than the beginning of the second fluid channel, such that expansion of the compressible medium in the second compression chamber and the second fluid channel causes the centrifugal back pressure to be applied to the second fluid channel during emptying expansible compressible medium significantly decreases due to this course of the second fluid channel.
  • this drop in the centrifugal counter-pressure is brought about by only a smaller change in the volume of the compressible medium, which means that the almost constant overpressure of the compressible medium is offset by a significant change in the centrifugal counter-pressure. This pressure change is compensated by the high pressure in the first compression chamber Flow rate is pumped into the outlet channel.
  • embodiments of the invention provide high dynamics in draining the liquid from the first compression chamber. Due to the strong change in the centrifugal back pressure during emptying, but also during the filling of the second fluid channel not only the dynamics of the emptying of the first compression chamber, or the dynamics of the filling of the second compression chamber is affected, but also the rotational frequency, in which - the liquid levels are in equilibrium - the emptying of the first compression chamber takes place. Thus, embodiments of the invention allow adjustment of the switching frequencies due to the different radial positions of the fluid outlet of the first compression chamber and the fluid inlet of the second compression chamber.
  • the outlet channel may be at least partially formed by the first fluid channel.
  • the first channel is the outlet channel.
  • the outlet channel includes a portion of the first fluid channel and a third fluid channel branching from the first fluid channel.
  • the outlet channel is a fluid channel separate from the first fluid channel, which opens at a radially outer portion or the radially outer end thereof into the first compression chamber.
  • the outlet channel has a lower flow resistance than the first fluid channel.
  • the outlet channel has a siphon, wherein an outlet end of the siphon with respect to the rotation center is arranged radially further out than the position at which the outlet channel opens into the first compression chamber.
  • Embodiments of the invention are centrifugal-pneumatic delay switches.
  • there is first a delay of emptying a first compression chamber whereupon dynamic emptying can take place without further change of the rotational frequency.
  • radial is meant to be radial with respect to the center of rotation about which the fluidic module or rotor is rotatable.
  • a radial direction is radially sloping away from the center of rotation and a radial direction toward the center of rotation is radially increasing.
  • a fluid channel, the beginning of which is closer to the center of rotation than the end is thus radially sloping, while a fluid channel, the beginning of which is farther from the center of rotation than its end, is radially increasing.
  • a channel which has a radially rising section thus has directional components which rise radially or extend radially inwards. It is clear that such a channel does not have to run exactly along a radial line, but can run at an angle to the radial line or bent.
  • compression chamber is meant herein a chamber that allows the compression of a compressible medium.
  • this may be a non-vented chamber.
  • it may be a chamber, which indeed has a vent, the vent but for the compressible medium has such a high flow resistance, that still occurs by an inflowing liquid compressing the compressible medium and that by a by such a vent occurring pressure reduction in the compression chamber (in the relevant period) is negligible.
  • the first and second compression chambers described herein could also be considered as a compression chamber having two regions connected via the second fluid channel.
  • the compression chambers, with the exception of the inlets and outlets described no further fluid openings.
  • the compression chamber may be coupled to additional compression volume via one or more optional additional channels.
  • one or more compression chambers may include a closable vent.
  • a fluid channel means a structure whose length dimension is greater from a fluid inlet to a fluid outlet, for example more than 5 times or more than 10 times greater than the dimension defining the flow area or define.
  • a fluid channel has a flow resistance for flowing through it from the fluid inlet to the fluid outlet.
  • a fluid chamber is a chamber having dimensions such that a relevant flow resistance does not occur in the same.
  • Fig. 6 shows a device with a fluidic module 10 in the form of a body of revolution, which has a substrate 12 and a lid 14.
  • the substrate 12 and the cover 14 may be circular in plan view, with a central opening through which the rotary body 10 may be attached via a conventional fastening means 16 to a rotating part 18 of a drive device 20.
  • the rotating part 18 is rotatably supported on a stationary part 22 of the drive device 20.
  • the drive device 20 may be, for example, a conventional adjustable-speed centrifuge or a CD or DVD drive.
  • a control device 24 may be provided, which is designed to control the drive device 20 in order to act on the rotation body 10 with rotations with different rotational frequencies.
  • controller 24 may be implemented by, for example, a suitably programmed computing device or custom integrated circuit.
  • the controller 24 may further be configured to control the drive device 20 upon manual inputs by a user to effect the required rotations of the rotating body. In either case, the controller 24 may be configured to control the drive device 20 to apply the required rotational frequencies to the rotating body
  • Embodiments of the invention as described herein are to be implemented.
  • drive device 20 a conventional centrifuge with only one direction of rotation can be used.
  • the rotary body 10 has the required fluidic structures.
  • the required fluidic structures may be formed by cavities and channels in the lid 14, the substrate 12 or in the substrate 12 and the lid 14.
  • fluidic structures may be imaged in the substrate 12 while fill openings and vents are formed in the lid 14.
  • the patterned substrate (including fill openings and vents) is located at the top and the lid is located at the bottom.
  • fluidic modules 32 are inserted into a rotor 30 and form together with the rotor 30, the rotary body 10.
  • the fluidic modules 32 may each have a substrate and a lid, in which corresponding fluidic structures may be formed again.
  • the rotational body 10 formed by the rotor 30 and the fluidic modules 32 in turn can be acted upon by a drive device 20, which is controlled by the control device 24, with a rotation.
  • FIGS. 6 and 7 is a rotation center about which the fluidic module or the rotation body is rotatable, denoted by R.
  • the fluidic module or body having the fluidic structures may be formed of any suitable material, for example a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinylchloride) or PDMS (Polydimethylsiloxane), glass or the like.
  • a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinylchloride) or PDMS (Polydimethylsiloxane), glass or the like.
  • the rotary body 10 may be considered as a centrifugal microfluidic platform.
  • FIGS Fig. 1A to 1D an embodiment of a fluidic module described with corresponding fluidic structures, wherein in the Fig. 1A to 1D the fluidic structures formed in a respective fluidic module are shown during different phases of operation.
  • the fluidic structures have a first fluid channel 2, which constitutes an inlet channel, a first compression chamber 3 and a second compression chamber 5, which are connected to one another via a second fluid channel 4, and a third fluid channel 1, which forms part of an outlet channel. More precisely, branches in the in the Fig. 1A to 1D As shown, the third fluid channel 1 at a branch 50 from the first fluid channel 2, so that a part of the first fluid channel between the first compression chamber 3 and the branch 50 and the third fluid channel represent the outlet channel.
  • the third fluid channel 1 can have a lower flow resistance (that is, for example, a larger flow cross section) than the first fluid channel 2, so that a discharge of the first compression chamber 3 takes place to a greater extent through the third fluid channel 1.
  • the fluid inlet 8 of the second compression chamber 5 is located radially further outward than the fluid outlet 7 of the first compression chamber 3.
  • a portion of the second fluid channel extends between the radially innermost portion 4a and the radially outermost portion 4b of the second fluid channel with respect to the center of rotation in Fig. 1A is denoted by R, radially outward.
  • the first compression chamber 3 and the third channel (fluid outlet channel) 1 are partially filled via the first channel (fluid inlet channel) 2.
  • a radially inner end of the first fluid inlet channel may be fluidly coupled to an inlet chamber (not shown) for this purpose.
  • a compressible medium is enclosed, which is compressed by the fluid flowing into the first compression chamber, Fig. 1A ,
  • an overpressure builds up in the compressible medium, which is compensated by the centrifugal pressure of the liquid in the fluid inlet channel 2 and in the fluid outlet channel 1.
  • Phase 2a Discharge process with dynamics due to hysteresis behavior
  • the second compression chamber 5 is completely emptied only when the rotational frequency f 2 is reached , where f 2 ⁇ f 1 .
  • the connecting channel 4 is also emptied, as a result of which the System again is located outside the equilibrium of centrifugal pressure and pneumatic (in the case of gas as a compressible medium) back pressure of the compressible medium. This imbalance is according to Fig. 2 balanced by fast ('dynamic') emptying of the first compression chamber 3 until the equilibrium state is reached again.
  • the fluid in the third fluid channel 1 can reach radially inner positions that are not attainable in the equilibrium state.
  • the second fluid channel 3 increases the dynamics of the emptying process, whereby in the first and third fluid channels 2 and 1 higher filling levels are achieved than in the equilibrium state.
  • the third fluid channel may be configured as a siphon, the outlet end of which is arranged radially further outward than the fluid inlet of the first compression chamber 3 in order to allow the entire liquid to drain off.
  • the liquid volumes in the fluid chambers 3 and 5 are subject to a hysteresis behavior with respect to the rotational frequency.
  • the rotational frequency which increases in FIG Fig. 2 is marked by + arrows, a dynamic "sudden” filling of the fluid chamber 5 as soon as the rotational frequency f 1 is exceeded.
  • the in Fig. 2 is marked by arrows with -, there is a dynamic "sudden” emptying of the fluid chamber 3 as soon as the rotational frequency f 2 is exceeded.
  • Phase 2b Discharge process with dynamics due to high flow resistance
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the invention, in which the fluid inlet 8 of the second compression chamber 5 is not disposed radially further out than the fluid outlet of the first compression chamber. Rather, the in Fig. 3 1, the fluid inlet 8 of the second compression chamber 5 is radially further inward than the fluid outlet 7 of the first compression chamber 3.
  • the rotational center in the figures is above the fluidic structure, as in FIG Fig. 3 in turn indicated by that designated by the reference numeral R rotation center.
  • the rotational frequency is subsequently reduced, the return flow of the fluid is limited by the high flow resistance in the second fluid channel 4.
  • the flow rate of the liquid during the backflow is so low even when the centrifuge rotor is at a standstill that the liquid fill levels in the fluid channels 1 and 2 change only slightly.
  • the rotational frequency can be significantly below the critical value f 1 or even zero. If the rotational frequency f 1 falls short enough, then first the second compression chamber 5 is emptied, followed by the second fluid channel 4.
  • the flow resistance in the second fluid channel 4 decreases (due to the lower viscosity of the compressible medium), so that the flow rate of the liquid increases during the backflow.
  • the flow rate during and after the emptying of the second fluid channel 4 may increase strong enough to reach in the third fluid channel (Fluidauslasskanal) 1, a radially inner position in the equilibrium state is unreachable.
  • the high flow resistance and the hysteresis behavior can be combined.
  • the dynamics of the evacuation process can be increased or maximized be designed by both a connecting channel with a higher flow resistance than the outlet channel and the fluid inlet of the second compression chamber is arranged radially further outward than the fluid outlet of the first compression chamber.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the invention, in which the fluid inlet channel 2 also represents the fluid outlet channel.
  • the effects described above can also be achieved in an analogous manner if the fluid inlet channel 2 is also operated as a fluid outlet channel.
  • Fig. 5 shows a further embodiment in which the fluid outlet channel 1 is designed as a siphon 60, so that at least one area, for example an outlet end 62 of the fluid outlet channel 1 radially outward than the fluid inlet 6 of the first compression chamber. This makes it possible to empty all the fluid from the fluidic structure having the described fluid channels and compression chambers.
  • the second compression chamber may be divided into a plurality of compression chambers, which are connected in series via respective fluid channels. It is thus possible that the second compression chamber is again subdivided into a plurality of chambers. This makes it possible that certain chambers are filled exclusively with the compressible medium, while other chambers are filled with both the compressible medium and with the liquid.
  • a plurality of fluids supplied sequentially via the first fluid conduit may be used for the described operation, wherein one or more of the fluids may also be compressible.
  • several of the described fluidic structures may be connected in parallel.
  • a sequential switching of the fluids can then be predefined Times are reached. This is useful for automating a wide variety of bio-chemical processes.
  • the outlet channel need not open into the first compression chamber together with the inlet channel.
  • the outlet channel can also open separately in a radially outer portion, for example, the radially outer end, in the first compression chamber, as long as the design ensures that the compressible medium can be compressed in the compression chamber.
  • the separate outlet channel can be designed to be closed by the liquid during the filling of the first compression chamber through the first fluid channel.
  • connection channel 4 may have a diameter of 20 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the volume of the compression chamber 3 may be between 25 and 75 .mu.l, for example, 50 .mu.l, and the volume of the compression chamber 4 may be at 150 ul to 360 ul.
  • the volume of the first compression chamber is smaller, for example by a factor of 2 to 6, than the volume of the second compression chamber.
  • Typical fluid volumes of the processed liquid can be 100 .mu.l, with volumes of 100 nl to 5 ml are conceivable with appropriate design of the chambers.
  • the outlet channel may have a fluidic resistance (flow resistance) that is at least a factor of 2 or at least a factor of 10 smaller than the fluidic resistance of the connection channel. As has been described, this is not required in every embodiment.
  • the viscosity of the processed liquid eg water
  • the fluidic structures need not have the shapes shown.
  • the chambers need not be rectangular, but may take any shape and may typically have rounded corners.
  • the maximum volume of the connection channel may be limited to about 0.3 ⁇ l to 0.5 ⁇ l.
  • the minimum volume of the first compression chamber should be approximately 5 ⁇ l in this case.
  • the connecting channel can also be designed with a large length, in which case also higher channel volumes would be conceivable. However, this would be associated with technical disadvantages, for example, a higher dead volume and a greater manufacturing effort.
  • a dynamic filling and emptying of a compression chamber takes place.
  • Such dynamic filling and emptying can be achieved by the first and second compression chambers connected via the connecting channel.
  • filling and emptying can be achieved, which differs from dynamic filling and emptying in compression chambers, as known in the art.
  • the equilibrium level as a function of the rotational frequency is steady, i. with a very small change in the frequency of rotation (e.g., 0.1 Hz), there is always a very small change in the level of the compression chamber (e.g., ⁇ 1%).
  • the equilibrium level is defined as the level that sets at an infinitely long lasting constant rotation frequency.
  • a dynamic filling or a dynamic emptying with a hysteresis behavior can be achieved.
  • a rotational frequency range due to the geometric arrangement of a chamber system (consisting of at least two compression chambers or pneumatic chambers) no rotational frequency in the equilibrium state, ie at infinite length of centrifugation, a defined liquid level can be assigned.
  • a first or a second equilibrium level can be set. If this rotation frequency range is left, a new equilibrium level can be reached be sought, which deviates greatly from the current level. This large deviation can be compensated by accelerating the filling or emptying process, driven by centrifugal force or pneumatic force.
  • a dynamic filling or a dynamic emptying can be achieved by using high flow resistance.
  • the time course of the filling or emptying process can be significantly determined by channel cross sections.
  • flow rates not equal to zero can be achieved due to viscous forces even at a constant rotational frequency.
  • the replacement of different media in narrow channels and the associated changes in viscosity can lead to high flow rate changes, which can accelerate the filling and emptying even at a constant rotational frequency.
  • Embodiments of the present invention provide a fluidic module rotatable about a center of rotation, comprising: a first fluid channel; a first compression chamber fluidly coupled to the first fluid channel; a second compression chamber fluidly coupled to the first compression chamber via a second fluid channel; and a third fluid channel fluidly coupled to the first compression chamber.
  • a liquid is centrifugally drivable through the first fluid channel into the first compression chamber.
  • a compressible medium in the second compression chamber is trappable and compressible by a liquid forced by the centrifugal force through the first fluid channel into the first compression chamber, the second fluid channel, and the second compression chamber.
  • Liquid is drivable by lowering the rotational frequency and thereby conditionally expanding the compressible medium from the second compression chamber and from the second fluid channel through the third fluid channel.
  • Embodiments of the invention provide a centrifugal microfluidic structure having a compression chamber divided into a first part and a second part by a fluid channel, wherein both parts can be reversibly at least partially filled with liquid and emptied.
  • embodiments of the present invention include the generation of high dynamic fluidic switching operations that do not require rapid changes in rotational frequency.
  • embodiments of the present invention have in operation the generation of highly dynamic fluidic switching operations, in which neither rapid changes of the rotational frequency, nor high fluidic resistances are required.
  • embodiments of the invention show the maintenance of the compression of a compressible medium in a centrifuge rotor over a certain minimum period of time with any variation of the rotational frequency.
  • Embodiments of the present invention allow liquids to be held in fluid chambers while any rotational frequency protocol can be used for a certain time. This allows parallel processes to be carried out while maintaining the liquid and thus automating more complex processes than are known in the prior art.
  • embodiments of the present invention also enable liquids to be maintained above a defined rotational frequency that may be well below the rotational frequency used to activate compliance with the fluid.
  • Embodiments of the present invention enable a highly dynamic release of fluid from fluid chambers even if only very low acceleration rates are available. This is especially useful for operation in standard laboratory centrifuges. Furthermore, they enable fluid transfer via a fluid outlet channel, in particular via a siphon, at low rotational frequencies. Thus, the aforementioned disadvantages of emptying can be avoided at high rotational frequencies.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fluidikmodul, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeit, die insbesondere zum Handhaben wie dem Zurückhalten und Freisetzen bzw. Pumpen von Flüssigkeit in einem zentrifugal-mikrofluidischen System geeignet sind.
  • Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im pl bis ml Bereich in rotierenden Systemen. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht komplett neuartige Prozesse zu ermöglichen, die durch manuelle Prozesse oder Pipettierroboter aufgrund der benötigten Präzission oder Volumenmenge nicht abbildbar sind, oder Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Die Kartuschen werden mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch Trägheitskräfte in entsprechende Kammern geführt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik.
  • Die bislang häufigste Ausführung von Kartuschen sind zentrifugal-mikrofluidische Scheiben, die beispielsweise unter den Bezeichnungen bzw. Marken "Lab-on-a-disk", "Lab-Disk", und "Lab-on-CD" bekannt sind, die in spezielle Prozessiergeräte eingesetzt werden. Andere Formate, wie ein mikrofluidisches Zentrifugenröhrchen, das unter der Bezeichnung "LabTube" bekannt ist, können in Rotoren bereits bestehender Standardlaborgeräten eingesetzt werden.
  • Eine wesentliche Grundoperation, die in zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen ausgeführt werden muss, ist das gezielte Zurückhalten und Freisetzen von Flüssigkeiten. Die Problematik besteht darin, Flüssigkeiten bei definierten Drehfrequenzen oder definierten Änderungen der Drehfrequenzen von einer ersten Fluidkammer in eine zweite Fluidkammer zu überführen, beziehungsweise, Flüssigkeiten bei definierten Drehfrequenzen oder definierten Änderungen der Drehfrequenzen in einer ersten Kammer zurückzuhalten. Für die Verwendung dieser Grundoperation in einem möglichen Produkt ist die Robustheit des Prozesses von höchster Bedeutung. Ferner sollte die Grundoperation als monolithisch integriertes Ventil realisiert sein, so dass keine zusätzlichen Komponenten oder Materialien - die durch Materialkosten oder zusätzliche Aufbau- und Verbindungstechnik (Assemblierung) die Kosten der Kartusche wesentlich steigern - erforderlich sind.
  • Monolithisch integrierte Ventile in zentrifugal-mikrofluidischen Systemen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist bei R. Gorkin u.a., "Pneumatic Pumping in Centrifugal Microfluidic Platform", Microfluid Nanofluid, 2010, 9, S. 541-549, ein Verfahren zum peumatischen Pumpen beschrieben, das es ermöglicht, Flüssigkeit in einer ersten Phase bei definierten, hohen Drehfrequenzen (in der Regel mehrere 10 Hz) in einer ersten Fluidkammer zurückzuhalten, um nachfolgend in einer zweiten Phase bei definierten, niedrigeren Drehfrequenzen die Flüssigkeit in eine zweite Fluidkammer zu leiten. Dabei wird Flüssigkeit bei ansteigender Drehfrequenz von einem Reservoir in eine erste Fluidkammer überführt. Bei erhöhter Drehfrequenz wird die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer zurückgehalten, wobei ein in der ersten Fluidkammer eingeschlossenes Gasvolumen komprimiert wird. Bei sinkender Drehfrequenz dehnt sich das eingeschlossene Gasvolumen wieder aus und verdrängt einen Teil der Flüssigkeit in einen gebogenen, als Siphon fungierenden Kanal. Nach Überschreiten des Siphonscheitels entsteht ein zusätzlicher Zentrifugaldruck, der bewirkt, dass die Flüssigkeit von der ersten in die zweite Fluidkammer transferiert wird. Somit wird in der ersten Phase ein von der Prozessflüssigkeit eingeschlossenes Gasvolumen in der ersten Fluidkammer komprimiert, um in der zweiten Phase die entsprechende Ausdehnung des Gasvolumens für die Rückführung der Flüssigkeit zu nutzen.
  • Beim Verfahren des pneumatischen Pumpens muss in der ersten Phase ein bestimmter Schwellenwert der Drehfrequenz (Schwellenfrequenz) überschritten werden, um die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer zurückzuhalten. Dieselbe Schwellenfrequenz muss nachfolgend unterschritten werden, um die Flüssigkeit über den Siphonscheitel rückzuführen und den Fluidtransfer von der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer zu starten.
  • Damit die Befüllung des Siphons unabhängig von Kapillarkräften ist, sollte die Schwellenfrequenz möglichst hoch liegen.
  • S. Zehnle, F. Schwemmer, G. Roth, F. von Stetten, R. Zengerle und N. Paust, "Centrifugodynamic Inward Pumping of Liquids on a Centrifugal Microfluidic Platform", Lab Chip, 2012, 12, S. 5142 - 5145, beschreiben ein Verfahren zum zentrifugo-dynamischen Einwärtspumpen, das es ermöglicht, Flüssigkeit in einer ersten Phase bei definierten, hohen Drehfrequenzen (in der Regel mehrere 10 Hz) in einer ersten Fluidkammer zurückzuhalten, um nachfolgend in einer zweiten Phase bei schnell sinkender Drehfrequenz einen Großteil der Flüssigkeit in eine zweite, radial innen gelegene Fluidkammer zu leiten. Dabei wird Flüssigkeit bei ansteigender Drehfrequenz von einem Reservoir in eine erste Fluidkammer überführt. Bei erhöhter Drehfrequenz wird die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer zurückgehalten, wobei ein in der ersten Fluidkammer eingeschlossenes Gasvolumen komprimiert wird. Bei schnell sinkender Drehfrequenz dehnt sich das eingeschlossene Gasvolumen wieder aus und verdrängt den Großteil der Flüssigkeit durch jenen Kanal, der den geringeren Flusswiderstand aufweist. Somit wird in der ersten Phase ein von der Prozessflüssigkeit eingeschlossenes Gasvolumen in der ersten Kammer komprimiert, um in der zweiten Phase die Energie des komprimierten Gases für das radiale Einwärtspumpen der Flüssigkeit zu nutzen. Ein entsprechendes Verfahren ist in der DE 10 2012 202 775 A1 beschrieben.
  • Wie oben dargelegt wurde, sollte die Schwellenfrequenz beim pneumatischen Pumpen möglichst hoch liegen, um den Einfluss von Kapillarkräften gering zu halten. Dies bedeutet, dass der Siphon in der Regel auch bei hohen Drehfrequenzen befüllt wird (selbst wenn die Verzögerungsrate mehrere 10 Hz/s beträgt). Die Erfinder haben erkannt, dass dies Nachteile mit sich zieht. Beim Erreichen der Flüssigkeit des Siphonscheitels bei höheren Drehfrequenzen kann es zur Instabilität der Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche am Siphonscheitel kommen. Das Einschließen von Luftblasen und somit der Funktionsausfall des Siphons können die Folge sein. Dieser Effekt könnte in einem Siphon mit kleiner Querschnittsfläche minimiert werden, was jedoch die Abhängigkeit von Kapillarkräften, sowie den fluidischen Widerstand und somit die für den Fluidtransfer benötigte Zeit erhöhen würde. Beim Pumpen von Flüssigkeit durch einen Siphon bei höheren Drehfrequenzen kann es auch zur Instabilität der Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche am äußeren Siphonende kommen. Auch hier kann das Einschließen von Luftblasen und somit der Funktionsausfall der Siphons die Folge sein. Je nach Ausführung des Siphons kann bei hoher Drehfrequenz der Druck im Siphonscheitel so gering werden, dass die Flüssigkeit verdampft und folglich Gasblasenbildung zum Funktionsausfall des Siphons führen. Selbst bei geringeren Drehfrequenzen und somit geringeren Unterdrücken kann Gasblasenbildung entstehen, da sich aufgrund des geringeren Drucks im Scheitelbereich des Siphons die Löslichkeit von Gasen, wie z.B. Sauerstoff, verringert und somit die nicht mehr lösliche Gasmenge in Form von Blasen ausgast.
  • Wird ein Einwärtspumpen, wie es beispielsweise in der DE 10 2012 202 775 A1 beschrieben ist, in Funktion eines Ventils verwendet, ist dies nachteilig dahingehend, dass nie die gesamte Flüssigkeitsmenge von der Kompressionskammer in die Auffangkammer transferiert werden.
  • Eine weitere Möglichkeit, Flüssigkeiten zurückzuhalten ist durch das Ausnutzen der Kapillarkraft gegeben, welche, durch die Drehfrequenz gesteuert, von der Zentrifugalkraft überwunden werden muss, um die Flüssigkeit zu bewegen. Solche Methoden sind jedoch stark von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und von der Oberflächenbeschaffenheit der fluidischen Kanäle abhängig und können somit nicht als robust eingestuft werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fluidikmodul, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben, insbesondere Pumpen, einer Flüssigkeit zu schaffen, die ein zeitgesteuertes und von der Zentrifugendynamik entkoppeltes Pumpen über eine bestimmte radiale Distanz ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Fluidikmodul nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 10 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, mit folgenden Merkmalen:
    • einer ersten Kompressionskammer mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass;
    • einer zweiten Kompressionskammer mit einem Fluideinlass;
    • einem ersten Fluidkanal, der über den Fluideinlass der ersten Kompressionskammer mit der ersten Kompressionskammer verbunden ist; und
    • einem zweiten Fluidkanal, der den Fluidauslass der ersten Kompressionskammer mit dem Fluideinlass der zweiten Kompressionskammer verbindet,
    • wobei durch eine Drehung des Fluidikmoduls eine Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer und in den zweiten Fluidkanal treibbar ist, und dadurch ein kompressibles Medium in der zweiten Kompressionskammer einschließbar und komprimierbar ist,
    • wobei durch Absenken der Drehfrequenz und dadurch bedingtes Ausdehnen des kompressiblen Mediums Flüssigkeit aus dem zweiten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer, aus der ersten Kompressionskammer in einen Auslasskanal und durch den Auslasskanal treibbar ist,
    • wobei zumindest eines der folgenden Merkmale erfüllt ist:
      • der zweite Fluidkanal weist einen höheren Strömungswiderstand auf als der Auslasskanal, und
      • der Fluideinlass der zweiten Kompressionskammer ist bezüglich des Rotationszentrums radial weiter außen angeordnet ist als der Fluidauslass der ersten Kompressionskammer.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Handhaben, insbesondere Pumpen, von Flüssigkeit mit einem Fluidikmodul wie es hierin beschrieben ist und einer Antriebsvorrichtung, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul mit Rotationen bei unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Antriebsvorrichtung ist ausgelegt, um in einer ersten Phase das Fluidikmodul mit einer Rotation bei einer Drehfrequenz bei oder oberhalb einer ersten Drehfrequenz zu beaufschlagen, bei der Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer getrieben wird, bei der die erste Kompressionskammer mit der Flüssigkeit gefüllt wird und bei der Flüssigkeit aus der ersten Kompressionskammer in den zweiten Fluidkanal getrieben wird, um dadurch das kompressible Medium in der zweiten Kompressionskammer einzuschließen und zu komprimieren. Die Antriebsvorrichtung ist ferner ausgelegt, um in einer zweiten Phase nach der ersten Phase die Drehfrequenz unter eine zweite Drehfrequenz abzusenken, bei der die durch das komprimierte Medium in der zweiten Kompressionskammer auf die Flüssigkeit ausgeübte Kraft die durch die Flüssigkeit ausgeübte Zentrifugalkraft überwiegt, so dass sich das kompressible Medium ausdehnt und dadurch Flüssigkeit aus dem zweiten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer, aus der ersten Kompressionskammer in den Auslasskanal und durch den Auslasskanal getrieben wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeit mit einem Fluidikmodul wie es hierin beschrieben ist. In einer ersten Phase wird das Fluidikmodul mit einer Rotation bei einer Drehfrequenz bei oder oberhalb einer ersten Drehfrequenz gedreht, um Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer zu treiben, um die erste Kompressionskammer mit der Flüssigkeit zu füllen, und um Flüssigkeit aus der ersten Kompressionskammer in den zweiten Fluidkanal zu treiben, um dadurch das kompressible Medium in der zweiten Kompressionskammer einzuschließen und zu komprimieren. In einer zweiten Phase nach der ersten Phase wird die Drehfrequenz unter eine zweite Drehfrequenz abgesenkt, bei der die durch das komprimierte Medium in der zweiten Kompressionskammer auf die Flüssigkeit ausgeübte Kraft die durch die Flüssigkeit ausgeübte Zentrifugalkraft überwiegt, so dass sich das kompressible Medium ausdehnt und dadurch Flüssigkeit aus dem zweiten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer, aus der ersten Kompressionskammer in den Auslasskanal und durch den Auslasskanal getrieben wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich somit auf Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, die zur kontrollierten Freisetzung und zum kontrollierten Leiten einer Flüssigkeit durch einen Kanal geeignet sind, und insbesondere solche Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, die zum zeitgeschalteten Pumpen einer Flüssigkeit in Zentrifugenrotoren geeignet sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass es durch das Vorsehen einer ersten Kompressionskammer, einer zweiten Kompressionskammer und eines zweiten Fluidkanals, der die erste und die zweite Kompressionskammer fluidisch verbindet, sowie eine entsprechende Auslegung des Verlaufs und der Dimensionen des zweiten Fluidkanals möglich ist, die Dynamik des Pumpvorgangs durch den Auslasskanal während und nach der Absenkung der Drehfrequenz passiv, das heißt ohne weitere Änderung der Drehfrequenz zu steuern.
  • So kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der zweite Fluidkanal einen höheren Strömungswiderstand aufweisen als der Auslasskanal. Beispielsweise kann der Querschnitt des zweiten Fluidkanals klein genug sein, um einen Strömungswiderstand für die Flüssigkeit darzustellen, der höher ist, als der Strömungswiderstand des Auslasskanals. Die Viskosität der Flüssigkeit (z.B. Wasser) kann signifikant höher sein, als die Viskosität des kompressiblen Mediums (z.B. Luft). Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgrund der höheren Viskosität der Flüssigkeit eine Verzögerung des Pumpvorgangs durch den Auslasskanal, solange der zweite Fluidkanal mit Flüssigkeit gefüllt ist. Erst sobald der zweite Fluidkanal teilweise oder ganz mit dem niederviskosen kompressiblen Medium gefüllt ist, findet der Pumpvorgang durch den Auslasskanal mit einer deutlich höheren Flussrate statt, die nicht durch den Strömungswiderstand im zweiten Fluidkanal begrenzt wird. Durch die Verzögerung des Pumpvorgangs kann das Leiten der Flüssigkeit durch den Auslasskanal somit bei einer beliebigen Drehfrequenz, insbesondere auch bei Stillstand, stattfinden.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Ende des zweiten Fluidkanals radial weiter außen liegen, als der Anfang des zweiten Fluidkanals, sodass eine Ausdehnung des kompressiblen Mediums in der zweiten Kompressionskammer und im zweiten Fluidkanal bewirkt, dass beim Leerpumpen des zweiten Fluidkanals der zentrifugale Gegendruck auf das sich ausdehnende kompressible Medium aufgrund dieses Verlaufs des zweiten Fluidkanals signifikant absinkt. Dabei wird dieser Abfall des zentrifugalen Gegendrucks durch eine nur geringere Volumenänderung des kompressiblen Mediums herbeigeführt, was bedeutet, dass dem fast konstant bleibenden Überdruck des kompressiblen Mediums eine signifikante Änderung des zentrifugalen Gegendrucks gegenüber steht. Diese Druckänderung wird ausgeglichen, indem die Flüssigkeit in der ersten Kompressionskammer mit hoher Flussrate in den Auslasskanal gepumpt wird. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine hohe Dynamik beim Entleeren der Flüssigkeit aus der ersten Kompressionskammer. Aufgrund der starken Änderung des zentrifugalen Gegendrucks beim Entleeren, aber auch beim Befüllen des zweiten Fluidkanals wird nicht nur die Dynamik der Entleerung der ersten Kompressionskammer, beziehungsweise die Dynamik der Befüllung der zweiten Kompressionskammer beeinflusst, sondern auch die Drehfrequenz, bei welcher - ausgehend davon, dass die Flüssigkeitsfüllstände sich im Gleichgewicht befinden - die Entleerung der ersten Kompressionskammer stattfindet. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, aufgrund der unterschiedlichen radialen Positionen des Fluidauslasses der ersten Kompressionskammer und des Fluideinlasses der zweiten Kompressionskammer das Einstellen der Schaltfrequenzen.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Auslasskanal zumindest teilweise durch den ersten Fluidkanal gebildet sein. So ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der erste Kanal der Auslasskanal. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der Auslasskanal einen Teil des ersten Fluidkanals und einen dritten Fluidkanal, der von dem ersten Fluidkanal abzweigt, auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist der Auslasskanal ein von dem ersten Fluidkanal separater Fluidkanal, der an einem radial äußeren Abschnitt oder dem radial äußeren Ende derselben in die erste Kompressionskammer mündet. Bei Ausführungsbeispielen weist der Auslasskanal einen geringeren Strömungswiderstand auf als der erste Fluidkanal. Bei Ausführungsbeispielen weist der Auslasskanal einen Siphon auf, wobei ein Auslassende des Siphons bezüglich des Rotationszentrums radial weiter außen angeordnet ist als die Position, an der der Auslasskanal in die erste Kompressionskammer mündet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen zentrifugo-pneumatische Verzögerungsschalter dar. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung findet zunächst eine Verzögerung einer Entleerung einer ersten Kompressionskammer statt, woraufhin dynamisch eine Entleerung ohne weitere Änderung der Drehfrequenz stattfinden kann. Diese Effekte können entweder durch den Verlauf des zweiten Fluidkanals (Verbindungskanals) im zentrifugalen Kraftfeld oder durch den höheren Strömungswiderstand des zweiten Fluidkanals gegenüber dem Auslasskanal oder durch beides erreicht werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1A
    bis 1D schematische Draufsichten auf Fluidikstrukturen eines Ausführungsbeispiels eines Fluidikmoduls, wobei ein Fluideinlass der zweiten Kompressionskammer radial weiter außen angeordnet ist als ein Fluidauslass der ersten Kompressionskammer;
    Fig. 2
    ein Diagramm zur Erläuterung von dem in den Fig. 1A bis 1D gezeigten Ausführungsbeispiel zugrundeliegenden Effekten;
    Fig. 3
    eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Fluidikmoduls, bei dem der zweite Fluidkanal einen größeren Fluidwiderstand aufweist als der Auslasskanal;
    Fig. 4
    eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Fluidikmoduls, bei dem der erste Kanal auch den Auslasskanal bildet;
    Fig. 5
    eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Fluidikmoduls, bei dem der Auslasskanal einen Siphon aufweist;
    Fig. 6
    und 7 schematische Seitenansicht zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen zum Handhaben von Flüssigkeit.
  • Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sei zunächst darauf hingewiesen, dass Beispiele der Erfindung insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden können, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Insbesondere können Ausführungsbeispiele der Erfindung auf zentrifugal-mikrofluidischen Systemen Anwendung finden, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung "Lab-on-a-Disk" bekannt sind.
  • Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotor drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.
  • Unter Kompressionskammer ist hierin eine Kammer zu verstehen, die das Komprimieren eines kompressiblen Mediums ermöglicht. Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann es sich dabei um eine nicht entlüftete Kammer handeln. Bei Ausführungsbeispielen kann es sich um eine Kammer handeln, die zwar eine Entlüftung aufweist, wobei die Entlüftung aber für das kompressible Medium einen so hohen Strömungswiderstand aufweist, dass durch eine einströmende Flüssigkeit dennoch ein Komprimieren des kompressiblen Mediums erfolgt und dass durch ein durch eine solche Entlüftung auftretender Druckabbau in der Kompressionskammer (in dem relevanten Zeitraum) vernachlässigbar ist. Als solches könnten die hierein beschriebene erste und die zweite Kompressionskammer auch als eine Kompressionskammer betrachtet werden, die zwei Bereiche aufweist, die über den zweiten Fluidkanal verbunden sind. Bei Ausführungsbeispielen weisen die Kompressionskammern mit Ausnahme der beschriebenen Einlässe und Auslässe keine weiteren Fluidöffnungen auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Kompressionskammer über einen oder mehrere optionale zusätzliche Kanäle mit zusätzlichem Kompressionsvolumen gekoppelt sein. Bei wiederum alternativen Ausführungsbeispielen kann eine oder können mehrere Kompressionskammern eine verschließbare Entlüftungsöffnung aufweisen.
  • Allgemein können bei Ausführungsbeispielen der Erfindung unterschiedliche Strömungswiderstände (hydraulische Widerstände) jeweiliger Fluidkanäle über unterschiedliche Strömungsquerschnitte erreicht werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Strömungswiderstände auch durch andere Mittel erreicht werden, beispielsweise unterschiedliche Kanallängen, in die Kanäle integrierte Hindernisse und dergleichen. Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr als 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierein eine Kammer die solche Abmessungen aufweist, dass ein relevanter Strömungswiderstand in derselben nicht auftritt.
  • Bezug nehmend auf die Fig. 6 und 7 werden zunächst Beispiele von zentrifugal-mikrofluidischen Systemen beschrieben, bei denen die Erfindung verwendet werden kann.
  • Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul 10 in Form eines Rotationskörpers, der ein Substrat 12 und einen Deckel 14 aufweist. Das Substrat 12 und der Deckel 14 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 16 an einem rotierenden Teil 18 einer Antriebsvorrichtung 20 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 18 ist drehbar an einem stationären Teil 22 der Antriebsvorrichtung 20 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 20 kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 24 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper 10 mit Rotationen mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 24 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 24 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 24 konfiguriert sein, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper mit den erforderlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, um Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 20 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
  • Der Rotationskörper 10 weist die erforderlichen Fluidikstrukturen auf. Die erforderlichen Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 14, dem Substrat 12 oder in dem Substrat 12 und dem Deckel 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 12 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 14 gebildet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet.
  • Bei einem alternativen in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 32 in einen Rotor 30 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den Rotationskörper 10. Die Fluidikmodule 32 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 30 und die Fluidikmodule 32 gebildete Rotationskörper 10 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 20, die durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
  • In den Figuren 6 und 7 ist ein Rotationszentrum, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, mit R bezeichnet.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die fluidischen Strukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden.
  • Im Folgenden wird Bezug nehmend auf die Fig. 1A bis 1D ein Ausführungsbeispiel eines Fluidikmoduls mit entsprechenden Fluidikstrukturen beschrieben, wobei in den Fig. 1A bis 1D die Fluidikstrukturen, die in einem entsprechenden Fluidikmodul gebildet sind, während unterschiedlicher Betriebsphasen gezeigt sind.
  • Die Fluidikstrukturen weisen einen ersten Fluidkanal 2, der einen Einlasskanal darstellt, eine erste Kompressionskammer 3 und eine zweite Kompressionskammer 5, die über einen zweiten Fluidkanal 4 miteinander verbunden sind, sowie einen dritten Fluidkanal 1, der einen Teil eines Auslasskanals darstellt, auf. Genauer gesagt zweigt bei dem in den Fig. 1A bis 1D gezeigten Beispiel der dritte Fluidkanal 1 an einer Verzweigung 50 von dem ersten Fluidkanal 2 ab, so dass ein Teil des ersten Fluidkanals zwischen der ersten Kompressionskammer 3 und der Verzweigung 50 und der dritte Fluidkanal den Auslasskanal darstellen. Der dritte Fluidkanal 1 kann einen geringeren Strömungswiderstand (also beispielsweise einen größeren Flussquerschnitt) aufweisen als der erste Fluidkanal 2, so dass eine Entleerung der ersten Kompressionskammer 3 zu einem größeren Teil durch den dritten Fluidkanal 1 stattfindet.
  • Ein Fluideinlass 6 der ersten Kompressionskammer 3, der in dem Ausführungsbeispiel an einem radial äußeren Ende der ersten Kompressionskammer 3 angeordnet ist, ist mit dem ersten Fluidkanal 2 und somit auch dem dritten Fluidkanal 1 fluidisch verbunden. Ein Fluidauslass 7 der ersten Kompressionskammer 3, der in dem Ausführungsbeispiel an einem radial inneren Ende der ersten Kompressionskammer 3 angeordnet ist, ist mit dem zweiten Fluidkanal 4 fluidisch verbunden.
  • Ein Fluideinlass 8 der zweiten Kompressionskammer 5, der in dem Ausführungsbeispiel an einem radial äußeren Ende der zweiten Kompressionskammer 5 angeordnet ist, ist mit dem zweiten Fluidkanal 4 fluidisch verbunden. Der Fluideinlass 8 der zweiten Kompressionskammer 5, befindet sich radial weiter außen als der Fluidauslass 7 der ersten Kompressionskammer 3. Somit erstreckt sich ein Abschnitt des zweiten Fluidkanals zwischen dem radial innersten Abschnitt 4a und dem radial äußersten Abschnitt 4b des zweiten Fluidkanals bezüglich des Rotationszentrums, das in Fig. 1A mit R bezeichnet ist, radial nach außen.
  • Nachfolgend wird bezugnehmend auf die Fig. 1A bis 1D und das Diagramm in Fig. 2 der Betrieb des Ausführungsbeispiels der Fig. 1A bis 1D detailliert erläutert.
    • Phase 1: Befüllvorgang
  • Im Betrieb werden in einer ersten Phase zunächst bei hoher Drehfrequenz die erste Kompressionskammer 3 und der dritte Kanal (Fluidauslasskanal) 1 über den ersten Kanal (Fluideinlasskanal) 2 teilweise gefüllt. Beispielsweise kann ein radial inneres Ende des ersten Fluideinlasskanals zu diesem Zweck mit einer Einlasskammer (nicht gezeigt) fluidisch gekoppelt sein. Dabei wird in der ersten und in der zweiten Kompressionskammer 3, 5 sowie im zweiten Fluidkanal (Fluidverbindungskanal) 4 eine kompressibles Medium eingeschlossen, das von der in die erste Kompressionskammer einströmenden Flüssigkeit komprimiert wird, Fig. 1A. Dabei baut sich im kompressiblen Medium ein Überdruck auf, der durch den Zentrifugaldruck der Flüssigkeit im Fluideinlasskanal 2 und im Fluidauslasskanal 1 ausgeglichen wird. Wird eine Drehfrequenz f1 überschritten, so wird die erste Kompressionskammer 3 komplett gefüllt, und die Flüssigkeit fließt über den Verbindungskanal 4 in die zweite Kompressionskammer 5. Nach ausreichend langer Zeit der Befüllung erreicht das System den Gleichgewichtszustand, in welchem die Flüssigkeitsfüllstände sich bei gegebener Drehfrequenz nicht mehr ändern. Bei sinkender Drehfrequenz dehnt sich das eingeschlossene komprimierte kompressible Medium (Gasvolumen) wieder aus und Flüssigkeit wird durch den ersten Fluidkanal 2 und den dritten Fluidkanal 1 rückgepumpt.
    • Phase 2a: Entleerungsvorgang mit Dynamik durch Hystereseverhalten
  • In dem Fall, dass der Fluideinlass 8 der zweiten Kompressionskammer 5 radial weiter außen liegt, als der Fluidauslass 7 der ersten Kompressionskammer 3, wie bei den Fig. 1A bis 1D, befindet sich das System bei Erreichen der Drehfrequenz f1 außerhalb des Gleichgewichts von zentrifugalem Druck und pneumatischem (im Falle von Gas als kompressiblem Medium) Gegendruck des kompressiblen Mediums. Dieses Ungleichgewicht wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist, durch schnelles (,dynamisches') Befüllen der zweiten Kompressionskammer 5 ausgeglichen, bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist. Fig. 1B zeigt den Zustand bei einer Drehung oberhalb der Drehfrequenz f1 .
  • Wird nachfolgend die Drehfrequenz wieder verringert, so entleert sich die zweite Kompressionskammer 5 vollständig erst bei Erreichen der Drehfrequenz f2 , wobei f2 < f1. Sobald f2 unterschritten wird, entleert sich auch der Verbindungskanal 4, wodurch sich das System wiederum außerhalb des Gleichgewichts von zentrifugalem Druck und pneumatischem (im Falle von Gas als kompressibles Medium) Gegendruck des kompressiblen Mediums befindet. Dieses Ungleichgewicht wird gemäß Fig. 2 durch schnelles (,dynamisches') Entleeren der ersten Kompressionskammer 3 ausgeglichen, bis der Gleichgewichtszustand wieder erreicht ist.
  • Dieses durch den pneumatischen Druck bewirkte dynamische Entleeren erzeugt hohe Flussraten im ersten Fluidkanal 2 und im dritten Fluidkanal 1. Somit kann die Flüssigkeit im dritten Fluidkanal 1 radial innere Positionen erreichen, die im Gleichgewichtszustand nicht erreichbar sind. Anders ausgedrückt erhöht sich bei der Entleerung das zweiten Fluidkanals 3 die Dynamik des Entleerungvorgangs, wodurch in den ersten und dritten Fluidkanälen 2 und 1 höhere Füllhöhen erreicht werden als im Gleichgewichtszustand. Bei Ausführungsbeispielen kann der dritte Fluidkanal als Siphon ausgestaltet sein, dessen Auslassende radial weiter außen angeordnet ist als der Fluideinlass der ersten Kompressionskammer 3, um ein Abfließen der gesamten Flüssigkeit zu ermöglichen.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich, unterliegen die Flüssigkeitsvolumina in den Fluidkammern 3 und 5 einem Hystereseverhalten bezüglich der Drehfrequenz. Für den Fall, dass der Fluideinlass 8 der Fluidkammer radial weiter außen liegt als der Fluidauslass 7 der Fluidkammer 3, erfolgt bei ansteigender Drehfrequenz, die in Fig. 2 durch Pfeile mit + gekennzeichnet ist, ein dynamisches "schlagartiges" Befüllen der Fluidkammer 5 sobald die Drehfrequenz f1 überschritten wird. Bei absinkender Drehfrequenz, die in Fig. 2 durch Pfeile mit - gekennzeichnet ist, erfolgt ein dynamisches "schlagartiges" Entleeren der Fluidkammer 3 sobald die Drehfrequenz f2 unterschritten wird.
    • Phase 2b: Entleerungsvorgang mit Dynamik durch hohen Strömungswiderstand
  • Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Fluideinlass 8 der zweiten Kompressionskammer 5 nicht radial weiter außen angeordnet ist als der Fluidauslass der ersten Kompressionskammer. Vielmehr liegt bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fluideinlass 8 der zweiten Kompressionskammer 5 radial weiter innen als der Fluidauslass 7 der ersten Kompressionskammer 3. Es sei zu beachten, dass das Rotationszentrum in den Figuren jeweils oberhalb der Fluidikstruktur liegt, wie in Fig. 3 wiederum durch dass mit dem Bezugszeichen R bezeichnete Rotationszentrum angedeutet ist.
  • Für den Fall, dass der Fluideinlass der zweiten Kompressionskammer 5 nicht radial weiter außen liegt, als der Fluidauslass der ersten Kompressionskammer 3 (vgl. Fig. 3), tritt das in Phase 2a beschriebene Hystereseverhalten nicht auf: es gilt f2 ≥ f1. Ein schnelles, ,schlagartiges' Entleeren der Kompressionskammer 3 wird dennoch erreicht, wenn der zweite Fluidkanal (Verbindungskanal) 4 einen ausreichend hohen Strömungswiderstand für die Flüssigkeit darstellt. In diesem Fall wird beim Befüllen der Kompressionskammer 5 der Befüllvorgang zunächst durch den hohen Strömungswiderstand im Verbindungskanal 4 verzögert. Nach ausreichend langer Zeit der Befüllung erreicht das System den Gleichgewichtszustand, in welchem die Flüssigkeitsfüllstände sich bei gegebener Drehfrequenz nicht mehr ändern.
  • Wird nachfolgend die Drehfrequenz verringert, so wird das Rückströmen der Flüssigkeit durch den hohen Strömungswiderstand in zweiten Fluidkanal 4 limitiert. Bei ausreichend hohem Strömungswiderstand im zweiten Fluidkanal 4 ist die Flussrate der Flüssigkeit während des Rückströmens auch bei Stillstand des Zentrifugenrotors so gering, dass sich die Flüssigkeitsfüllhöhen in den Fluidkanälen 1 und 2 nur geringfügig ändern. Während diesem Rückströmvorgang können beliebige Drehfrequenzen gefahren werden. Insbesondere kann die Drehfrequenz den kritischen Wert f1 deutlich unterschreiten oder gar 0 betragen. Wird die Drehfrequenz f1 lange genug unterschritten, so entleert sich zunächst die zweite Kompressionskammer 5, gefolgt vom zweiten Fluidkanal 4. Während sich der zweite Fluidkanal 4 entleert, verringert sich der Strömungswiderstand im zweiten Fluidkanal 4 (aufgrund der geringeren Viskosität des kompressiblen Mediums), sodass die Flussrate der Flüssigkeit während des Rückströmens steigt. Bei entsprechender Auslegung der Geometrie der Fluidkanäle und der Kompressionskammern und bei entsprechend angewandten Drehfrequenzen kann die die Flussrate während und nach der Entleerung des zweiten Fluidkanals 4 stark genug ansteigen, um im dritten Fluidkanal (Fluidauslasskanal) 1 eine radial innere Position zu erreichen, die im Gleichgewichtszustand nicht erreichbar ist.
  • Bei Ausführungsbeispielen können der hohe Strömungswiderstand und das Hystereseverhalten kombiniert werden. Die Dynamik des Entleerungsvorgangs kann erhöht oder maximiert werden, indem sowohl ein Verbindungskanal mit einem höheren Strömungswiderstand als der Auslasskanal ausgelegt wird als auch der Fluideinlass der zweiten Kompressionskammer radial weiter außen angeordnet wird als der Fluidauslass der ersten Kompressionskammer. Dadurch kann eine Kombination der oben beschriebenen Effekte erreicht werden, wodurch es möglich ist, Flüssigkeit im Auslassfluidkanal radial noch weiter nach innen zu pumpen.
  • Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Fluideinlasskanal 2 auch den Fluidauslasskanal darstellt. Die oben beschriebenen Effekte können in analoger Weise auch erreicht werden, wenn der Fluideinlasskanal 2 auch als Fluidauslasskanal betrieben wird.
  • Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Fluidauslasskanal 1 als Siphon 60 gestaltet ist, so dass zumindest ein Bereich, beispielsweise ein Auslassende 62 des Fluidauslasskanals 1 radial weiter außen liegt als der Fluideinlass 6 der ersten Kompressionskammer. Dadurch ist es möglich, die gesamte Flüssigkeit aus der Fluidikstruktur, die die beschriebenen Fluidkanäle und Kompressionskammern aufweist, zu entleeren.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die zweite Kompressionskammer in mehrere Kompressionskammern unterteilt sein, die über jeweilige Fluidkanäle hintereinandergeschaltet sind. Es ist somit möglich, dass die zweite Kompressionskammer wiederum in mehrere Kammern unterteilt ist. Dadurch ist es möglich, dass bestimmte Kammern ausschließlich mit dem kompressiblen Medium gefüllt sind, während andere Kammern sowohl mit dem kompressiblen Medium als auch mit der Flüssigkeit gefüllt sind.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können mehrere Flüssigkeiten, die nacheinander über die erste Fluidleitung zugeführt werden, für den beschriebenen Betrieb verwendet werden, wobei eine oder mehrere der Flüssigkeiten auch kompressibel sein können.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen können mehrere der beschriebenen Fluidikstrukturen parallelgeschaltet werden. Durch unterschiedliche Kanalgeometrien der jeweiligen zweiten Fluidkanäle (Verbindungskanäle) kann dann ein sequentielles Schalten der Fluide zu vordefinierten Zeitpunkten erreicht werden. Dies ist nützlich für die Automatisierung verschiedenster bio-chemischer Verfahren.
  • Bei Ausführungsbeispielen muss der Auslasskanal nicht gemeinsam mit dem Einlasskanal in die erste Kompressionskammer münden. Der Auslasskanal kann auch separat in einem radial äußeren Abschnitt, beispielsweise dem radial äußeren Ende, in die erste Kompressionskammer münden, solange durch die Ausgestaltung gewährleistet bleibt, dass das kompressible Medium in der Kompressionskammer komprimiert werden kann. Beispielsweise kann der separate Auslasskanal ausgebildet sein, um beim Befüllen der ersten Kompressionskammer durch den ersten Fluidkanal durch die Flüssigkeit verschlossen zu werden.
  • Beispielhafte typische Werte und Geometrien werden nun angegeben, wobei jedoch klar ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf solche Werte und Geometrien beschränkt ist.
  • Bei einer typischen Ausführung kann der Verbindungskanal 4 einen Durchmesser von 20 µm bis 200 µm. Das Volumen der Kompressionskammer 3 kann zwischen 25 und 75 µl, beispielsweise 50 µl, liegen und das Volumen der Kompressionskammer 4 kann bei 150 µl bis 360 µl liegen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das Volumen der ersten Kompressionskammer kleiner, beispielsweise um einen Faktor von 2 bis 6, als das Volumen der zweiten Kompressionskammer. Typische Fluidvolumina der prozessierten Flüssigkeit können bei 100 µl liegen, wobei Volumina von 100 nl bis 5 ml bei entsprechender Ausführung der Kammern denkbar sind.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Auslasskanal (inklusive Fluideinlass 6) einen fluidischen Widerstand (Strömungswiderstand) aufweisen, welcher mindestens um den Faktor 2 oder mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als der fluidische Widerstand des Verbindungskanals. Dies ist, wie beschrieben wurde, nicht in jeder Ausführung erforderlich. Die Viskosität der prozessierten Flüssigkeit (z.B. Wasser) kann eine um einen Faktor von 30 bis 90 höhere Viskosität als das kompressible Medium aufweisen. Beispielsweise hat Wasser als zu prozessierende Flüssigkeit eine etwa um den Faktor 60 höhere Viskosität als Luft als kompressibles Medium.
  • Die Fluidikstrukturen müssen nicht die dargestellten Formen aufweisen, Beispielsweise müssen die Kammern nicht rechtwinklig sein, sondern können jede Form annehmen und können typischerweise abgerundete Ecken haben.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das maximale Volumen des Verbindungskanals auf ca. 0,3 µl bis 0,5 µl begrenzt sein. Das minimale Volumen der ersten Kompressionskammer sollte in diesem Fall ca. 5 µl betragen. Grundsätzlich kann der Verbindungskanal auch mit einer großen Länge ausgeführt werden, wobei dann auch höhere Kanalvolumen denkbar wären. Dies wäre allerdings mit technischen Nachteilen beispielsweise einem höheren Totvolumen und einem größeren Fertigungsaufwand verbunden.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung findet ein dynamisches Befüllen und Entleeren einer Kompressionskammer statt. Ein solches dynamisches Befüllen und Entleeren kann durch die über den Verbindungskanal verbundenen ersten und zweiten Kompressionskammern erreicht werden. Durch diesen Aufbau kann ein Befüllen und Entleeren erreicht werden, dass sich vom dynamischen Befüllen und Entleeren in Kompressionskammern, wie sie dem Stand der Technik bekannt sind, unterscheidet.
  • Bei einer Kompressionskammer, wie sie dem Stand der Technik bekannt ist, ist der Gleichgewichtsfüllstand als Funktion der Drehfrequenz stetig, d.h. dass mit einer sehr kleinen Drehfrequenzänderung (z.B. 0.1 Hz) geht immer eine sehr kleine Änderung des Füllstandes der Kompressionskammer (z.B. < 1%) einher. Der Gleichgewichtsfüllstand ist definiert als der Füllstand, der sich bei unendlich lang anhaltender gleichbleibender Drehfrequenz einstellt.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein dynamisches Befüllen bzw. eine dynamische Entleerung mit einem Hystereseverhalten erreicht werden. Für einen bestimmten Drehfrequenzbereich kann, aufgrund der geometrischen Anordnung eines Kammersystems (bestehend aus mind. zwei Kompressionskammern bzw. Pneumatikkammern) keiner Drehfrequenz im Gleichgewichtszustand, d.h. bei unendlich lang andauernder Zentrifugation, ein definierter Flüssigkeitsfüllstand zugewiesen werden. Je nachdem, ob ein Kammersystem gerade befüllt oder entleert wird, kann sich ein erster oder ein zweiter Gleichgewichtsfüllstand einstellen. Wird dieser Drehfrequenzbereich verlassen, kann ein neuer Gleichwichtsfüllstand angestrebt werden, welcher vom aktuellen Füllstand stark abweicht. Diese starke Abweichung kann ausgeglichen werden, indem der Befüll- bzw. Entleervorgang, angetrieben durch Zentrifugalkraft oder pneumatische Kraft, beschleunigt wird. Bei dieser Art der dynamischen Befüllung bzw. Entleerung ist der Gleichgewichtsfüllstand als Funktion der Drehfrequenz unstetig, d.h. dass eine sehr kleine Änderung der Drehfrequenz (z.B. 0.1 Hz) kann zu einer starken Änderung des Füllstands (z.B. > 20%) der Kompressionskammer führen.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein dynamisches Befüllen bzw. eine dynamische Entleerung durch Einsatz hoher Strömungswiderstände erreicht werden. Der zeitliche Verlauf des Befüll- bzw. Entleervorgangs kann dabei maßgeblich durch Kanalquerschnitte bestimmt werden. Somit können aufgrund viskoser Kräfte auch bei konstanter Drehfrequenz Durchflussraten ungleich Null erzielt. Insbesondere kann der Austausch verschiedener Medien in engen Kanälen und die damit verbundenen Viskositätsänderungen zu hohen Durchflussratenänderungen führen, welche den Befüll- bzw. Entleervorgang auch bei konstanter Drehfrequenz beschleunigen können.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Fluidkanal; einer ersten Kompressionskammer, die mit dem ersten Fluidkanal fluidisch gekoppelt ist; einer zweiten Kompressionskammer, die über einen zweiten Fluidkanal mit der ersten Kompressionskammer fluidisch gekoppelt ist; und einem dritten Fluidkanal, der mit der ersten Kompressionskammer fluidisch gekoppelt ist. Eine Flüssigkeit ist zentrifugal durch den ersten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer treibbar. Bei einer Drehung des Fluidikmoduls ist ein kompressibles Medium in der zweiten Kompressionskammer durch eine Flüssigkeit, die durch die Zentrifugalkraft durch den ersten Fluidkanal in die erste Kompressionskammer, in den zweiten Fluidkanal und in die zweite Kompressionskammer getrieben wird, einschließbar und komprimierbar. Flüssigkeit ist durch Absenken der Drehfrequenz und dadurch bedingtes Ausdehnen des kompressiblen Mediums aus der zweiten Kompressionskammer und aus dem zweiten Fluidkanal durch den dritten Fluidkanal treibbar.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine zentrifugal-mikrofluidische Struktur mit einer durch einen Fluidkanal in einen ersten Teil und einen zweiten Teil geteilten Kompressionskammer, wobei beide Teile reversibel zumindest teilweise mit Flüssigkeit gefüllt und entleert werden können. Im Betrieb weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Erzeugung hochdynamischer fluidischer Schaltvorgänge auf, bei welchen keine schnellen Änderungen der Rotationsfrequenz erforderlich sind. Ferner weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Betrieb die Erzeugung hochdynamischer fluidischer Schaltvorgänge auf, bei welchen weder schnelle Änderungen der Rotationsfrequenz, noch hohe fluidische Widerstände erforderlich sind. Des Weiteren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung die Aufrechterhaltung der Kompression eines kompressiblen Mediums in einem Zentrifugenrotor über einen bestimmten Mindestzeitraum bei beliebiger Variation der Drehfrequenz.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen das Einhalten von Flüssigkeiten in Fluidkammern, während für eine bestimmte Zeit ein beliebiges Drehfrequenzprotokoll angewandt werden kann. Dies ermöglicht die Durchführung paralleler Prozesse während dem Einhalten der Flüssigkeit und somit die Automatisierung komplexerer Prozesse als sie dem Stand der Technik bisher bekannt sind.
  • Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch ein Einhalten von Flüssigkeiten oberhalb einer definierten Drehfrequenz, die deutlich unterhalb der Drehfrequenz liegen kann, die zur Aktivierung der Einhaltung der Flüssigkeit verwendet wird.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine hochdynamische Freisetzung von Flüssigkeit aus Fluidkammern auch wenn nur sehr geringe Beschleunigungsraten zur Verfügung stehen. Das ist vor allem für den Betrieb in Standardlaborzentrifugen nützlich. Ferner ermöglichen sie den Flüssigkeitstransfer über einen Fluidauslasskanal, insbesondere über einen Siphon, bei geringen Drehfrequenzen. Somit können die eingangs genannten Nachteile des Entleerens bei hohen Drehfrequenzen umgangen werden.

Claims (14)

  1. Fluidikmodul (10, 32), das um ein Rotationszentrum (R) drehbar ist, mit folgenden Merkmalen:
    einer ersten Kammer (3) mit einem Fluideinlass (6) und einem Fluidauslass (7);
    einer zweiten Kompressionskammer (5) mit einem Fluideinlass (8);
    einem ersten Fluidkanal (2), der über den Fluideinlass (6) der ersten Kammer (3) mit der ersten Kammer (3) verbunden ist; und
    einem zweiten Fluidkanal (4), der den Fluidauslass (7) der ersten Kammer (3) mit dem Fluideinlass (8) der zweiten Kompressionskammer (5) verbindet,
    wobei durch eine Drehung des Fluidikmoduls (10, 32) eine Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal (2) in die erste Kammer (3), in den zweiten Fluidkanal (4) und in die zweite Kompressionskammer (5) treibbar ist, und dadurch ein kompressibles Medium in der zweiten Kompressionskammer (5) einschließbar und komprimierbar ist,
    wobei zumindest eines der folgenden Merkmale erfüllt ist:
    der zweite Fluidkanal (4) weist für die Flüssigkeit einen höheren Strömungswiderstand auf als der Auslasskanal (1, 2), und
    der Fluideinlass (8) der zweiten Kompressionskammer (5) ist bezüglich des Rotationszentrums (R) radial weiter außen angeordnet als der Fluidauslass (7) der ersten Kammer (3),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Kammer (3) eine erste Kompressionskammer (3) ist, und
    durch Absenken der Drehfrequenz und dadurch bedingtes Ausdehnen des kompressiblen Mediums Flüssigkeit aus der zweiten Kompressionskammer (5) und dem zweiten Fluidkanal (4) in die erste Kompressionskammer (3), aus der ersten Kompressionskammer (3) in einen Auslasskanal (1, 2) und durch den Auslasskanal (1, 2) treibbar ist.
  2. Fluidikmodul (10, 32) nach Anspruch 1, bei dem der erste Fluidkanal (2) der Auslasskanal (2) ist.
  3. Fluidikmodul (10, 32) nach Anspruch 1, bei dem der Auslasskanal (1, 2) einen Teil des ersten Fluidkanals (2) und mindestens einen dritten Fluidkanal (1), der von dem ersten Fluidkanal (2) abzweigt, aufweist.
  4. Fluidikmodul (10, 32) nach Anspruch 3, bei dem der mindestens eine dritte Fluidkanal (1) einen geringeren Strömungswiderstand für die Flüssigkeit aufweist als der erste Fluidkanal (2).
  5. Fluidikmodul (10, 32) nach Anspruch 1 bis 4, bei dem der Auslasskanal (1, 2) einen Siphon (60) aufweist, wobei ein Auslassende (60) des Siphons (60) bezüglich des Rotationszentrums (R) radial weiter außen angeordnet ist als die Position, an der der Auslasskanal (1, 2) in die erste Kompressionskammer (3) mündet.
  6. Fluidikmodul (10, 32) nach Anspruch 1, bei dem der Auslasskanal ein von dem ersten Fluidkanal (2) separater Fluidkanal ist, der an einem radial äußeren Abschnitt oder dem radial äußeren Ende derselben in die erste Kompressionskammer (3) mündet.
  7. Fluidikmodul (10, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Fluidauslass (7) der ersten Kompressionskammer (3) an einem bezüglich des Rotationszentrums (R) radial inneren Abschnitt oder radial inneren Ende der ersten Kompressionskammer (3) angeordnet ist.
  8. Fluidikmodul (10, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Fluideinlass (8) der zweiten Kompressionskammer (5) an einem bezüglich des Rotationszentrums (R) radial äußeren Abschnitt oder radial äußeren Ende der zweiten Kompressionskammer (5) angeordnet ist.
  9. Fluidikmodul (10, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der zweite Fluidkanal (4) in Flussrichtung von der zweiten Kompressionskammer (5) zu der ersten Kompressionskammer (4) bezüglich des Rotationszentrums (R) einen Abschnitt aufweist, dessen Anfang weiter von dem Rotationszentrum (R) entfernt ist als dessen Ende.
  10. Vorrichtung zum Handhaben von Flüssigkeit, mit folgenden Merkmalen:
    einem Fluidikmodul (10, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und
    einer Antriebsvorrichtung (20), die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul (10, 32) mit Rotationen bei unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen,
    wobei die Antriebsvorrichtung (20) ausgelegt ist, um in einer ersten Phase das Fluidikmodul (10, 32) mit einer Rotation bei einer Drehfrequenz bei oder oberhalb einer ersten Drehfrequenz zu beaufschlagen, bei der Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal (2) in die erste Kompressionskammer (3) getrieben wird, bei der die erste Kompressionskammer (3) mit der Flüssigkeit gefüllt wird und bei der Flüssigkeit aus der ersten Kompressionskammer (3) in den zweiten Fluidkanal (4) und die zweite Kompressionskammer (5) getrieben wird, um dadurch das kompressible Medium in der zweiten Kompressionskammer (5) einzuschließen und zu komprimieren,
    wobei die Antriebsvorrichtung (20) ausgelegt ist, um in einer zweiten Phase nach der ersten Phase die Drehfrequenz unter eine zweite Drehfrequenz abzusenken, bei der die durch das komprimierte Medium in der zweiten Kompressionskammer (5) auf die Flüssigkeit ausgeübte Kraft die durch die Flüssigkeit ausgeübte Zentrifugalkraft überwiegt, so dass sich das kompressible Medium ausdehnt und dadurch Flüssigkeit aus der zweiten Kompressionskammer (5) und dem zweiten Fluidkanal (4) in die erste Kompressionskammer (3), aus der ersten Kompressionskammer (3) in den Auslasskanal (1, 2) und durch den Auslasskanal (1, 2) getrieben wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Fluideinlass (8) der zweiten Kompressionskammer (5) bezüglich des Rotationszentrums (R) radial weiter außen angeordnet ist als der Fluidauslass (7) der ersten Kompressionskammer (3), wobei die zweite Drehfrequenz geringer ist als die erste Drehfrequenz und bei dem die Antriebsvorrichtung ausgelegt ist, um in einer Zwischenphase zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase das Fluidikmodul (10, 32) mit einer Drehfrequenz zu beaufschlagen, die zwischen der ersten Drehfrequenz und der zweiten Drehfrequenz liegt, ohne dass Flüssigkeit aus dem zweiten Fluidkanal (4) in die erste Kompressionskammer (3) getrieben wird.
  12. Verfahren zum Handhaben von Flüssigkeit mit einem Fluidikmodul (10, 32) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Merkmalen:
    in einer ersten Phase, Drehen des Fluidikmoduls (10, 32) mit einer Rotation bei einer Drehfrequenz bei oder oberhalb einer ersten Drehfrequenz, um Flüssigkeit zentrifugal durch den ersten Fluidkanal (2) in die erste Kompressionskammer (3) und die zweite Kompressionskammer (5) zu treiben, um die erste Kompressionskammer (3) mit der Flüssigkeit zu füllen, und um Flüssigkeit aus der ersten Kompressionskammer (3) in den zweiten Fluidkanal (4) zu treiben, um dadurch das kompressible Medium in der zweiten Kompressionskammer (5) einzuschließen und zu komprimieren,
    in einer zweiten Phase nach der ersten Phase, Absenken der Drehfrequenz unter eine zweite Drehfrequenz, bei der die durch das komprimierte Medium in der zweiten Kompressionskammer (5) auf die Flüssigkeit ausgeübte Kraft die durch die Flüssigkeit ausgeübte Zentrifugalkraft überwiegt, so dass sich das kompressible Medium ausdehnt und dadurch Flüssigkeit aus der zweiten Kompressionskammer (5) und dem zweiten Fluidkanal (4) in die erste Kompressionskammer (3), aus der ersten Kompressionskammer (3) in den Auslasskanal (1, 2) und durch den Auslasskanal (1, 2) getrieben wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Fluideinlass (8) der zweiten Kompressionskammer (5) bezüglich des Rotationszentrums (R) radial weiter außen angeordnet ist als der Fluidauslass (7) der ersten Kompressionskammer (3), wobei die zweite Drehfrequenz geringer ist als die erste Drehfrequenz, und das in einer Zwischenphase zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase ein Drehen des Fluidikmoduls mit einer Drehfrequenz, die zwischen der ersten Drehfrequenz und der zweiten Drehfrequenz liegt, aufweist, ohne dass Flüssigkeit aus dem zweiten Fluidkanal (4) in die erste Kompressionskammer (3) getrieben wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, das ein Verwenden eines Fluidikmoduls aufweist, dessen Fluideinlass (8) bezüglich des Rotationszentrums (R) radial weiter außen angeordnet ist als der Fluidauslass (7) der ersten Kompressionskammer (3), wobei in der ersten Phase bei ansteigender Drehfrequenz ein dynamisches Befüllen der zweiten Kompressionskammer (5) beginnt, sobald eine erste Drehfrequenz f1 überschritten wird, und wobei in der zweiten Phase bei absinkender Drehfrequenz ein dynamisches Entleeren der ersten Kompressionskammer (3) beginnt, sobald eine zweite Drehfrequenz f2 unterschritten wird, wobei f2 < f1 .
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