EP3592463B1 - Method for centrifugo-pneumatic switching of liquid - Google Patents
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Definitions
- the present invention is concerned with methods for centrifugo-pneumatic switching of liquids from a liquid holding area into downstream fluidic structures using a ratio of centrifugal pressure to pneumatic pressure.
- Centrifugal microfluidics deals with the handling of liquids in the picoliter to milliliter range in rotating systems.
- Such systems are mostly single-use polymer cartridges that are used in or in place of centrifuge rotors with the intention of automating laboratory processes.
- Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting can be implemented in a microfluidic cartridge.
- the cartridges contain channels for guiding the fluid, as well as chambers for collecting liquids.
- fluidic structures Such cartridges can generally be referred to as fluidics modules.
- the cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the liquids in the cartridges can be moved by the centrifugal force.
- Centrifugal microfluidics are mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics. The most common design of cartridges to date has been a centrifugal microfluidic disk that is used in special processing devices and is known under the names "Lab-on-a-disk", “LabDisk”, "Lab-on-CD”, etc. Other formats, such as microfluidic centrifuge tubes known as "LabTube", can be used in the rotors of existing standard laboratory equipment.
- One example is the measuring of liquid volumes for the generation of aliquots, in which the liquids are switched to subsequent process steps after a measuring step. Further examples are incubation and mixing processes in which the incubation time or the completion of the mixing process must be reached before switching on.
- a major challenge during the development of cartridges for centrifugal microfluidic fluid handling is the adaptation of the structures involved to the properties of the fluids to be processed as well as to the interactions of the fluids with the cartridge materials used.
- a processing protocol In the field of centrifugal microfluidics, a processing protocol generally acts simultaneously on all fluidic structures of a cartridge. As a result of the increasing integration of processing steps running one after the other or in parallel, there are generally increasing restrictions for the permissible processing protocols. In order to still be able to integrate various fluidic operations on a centrifugal microfluidic cartridge, there is a need for structures and methods for switching fluids for which the exact conditions for the switching operation to occur can be set within a wide range by suitable design.
- valve circuit which is referred to above as a further valve circuit, can optionally also be provided with a second siphon in order to guide the liquid, depending on the rate of deceleration of the speed, through one or both siphons.
- valve circuits described in the cited document by S. Zehnle have in common that the end of the siphon through which the liquid is driven is vented.
- the third chamber which only serves as a collecting chamber, is thus also vented and not coupled to a further fluidic element. In addition to its function as a collecting chamber, it has no other fluidic functions and cannot influence the valve functions described by any type of dimensioning.
- the functional principle of the centrifugal-pneumatic valves described consists of two complementary effects.
- the first effect is that when the respective measuring channel is filled, the liquid closes the connecting channel between the measuring channel and the subsequent non-ventilated target chamber and the centrifugally induced transfer of liquid from the measuring finger into the target chamber leads to a compression of the gas therein.
- the resulting pneumatic overpressure in the target chamber counteracts any further flow of the liquid into the target chamber.
- the second effect is that the connecting channel between the measuring channel and the target chamber at the opening to the target chamber is a capillary valve that counteracts the switching of the liquid into the target chamber.
- centrifugal-pneumatic valves are in the DE 10 2008 003 979 B3 just like D. Mark, "Centrifugo-pneumatic valve for metering of highly wetting liquids on centrifugal microfluidic patforms", Lab Chip, 2009, 9, pp. 3599-3603 described.
- centrifugal-pneumatic valves only allow the compression of a small volume of gas given by the connecting channel between the measuring channel and the target structure before liquid reaches the target chamber.
- the switching frequency is restricted to low frequencies due to the structure.
- the switching frequency is dependent on the liquid properties, since the capillary valve effect, which plays a role for the centrifugo-pneumatic valve, depends on the surface tension and the contact angles between the liquid and the cartridge material.
- the described capillary valve portion of the centrifugal-pneumatic valve may result in the requirement for a sharp-edged transition from the connecting channel to the target chamber, which is associated with additional manufacturing costs.
- connection channel to the pressure chamber which is connected radially on the inside, is filled and excess liquid is passed into the pressure chamber, which represents a trap for this, so that the liquid can no longer leave the pressure chamber.
- the gas volume displaced in the measuring chamber and the pressure chamber from the moment the liquid enters the measuring chamber leads to a pneumatic pressure increase in the pressure chamber.
- the liquid is switched to subsequent fluidic structures by reducing the rotation frequency. This is achieved because the centrifugal pressure in the outlet channel falls below the pneumatic overpressure in the pressure chamber and therefore the liquid from the pneumatic overpressure and other pressures that occur is essentially transferred into the outlet channel.
- the selected fluidic resistances ensure that the transfer essentially takes place in the outlet channel and not back into the inlet channel.
- the structures can have a siphon, which ensures that the liquid is not yet switched into a collecting chamber during a measuring step.
- the siphon can be omitted for structures in which the collecting chamber is located radially further inward than the measuring chamber. A corresponding aliquoting is also in the WO 2015/049112 A1 described.
- centrifugal-pneumatic aliquoting is only suitable for process chains in which switching can or should be done by reducing the rotation frequency.
- a minimum deceleration rate has to be achieved in order to transfer the liquid into a target volume, which results in restrictions in the processing devices that can be used.
- centrifugal-pneumatic aliquoting cannot be used either.
- additional space is required for the pressure chamber, which may be lost for the introduction of structures for other operations on the cartridge.
- the need for strong differences in the fluidic resistances between inlet and outlet channels leads to additional demands on production, since high fluidic resistances are achieved through small channel cross-sections, which therefore place high demands on the manufacturing tolerances.
- Wisam AI-Faqheri et. al. "Development of a Passive Liquid Valve (PLV) Utilizing a Pressure Equilibrium Phenomenon on the Centrifugal Microfluidic Platform", Sensors 2015, 15, pages 4658-4676 , describe a switching of liquid depending on a centrifugal pressure acting on a liquid in an inlet chamber, a capillary pressure acting on the liquid in the inlet chamber and a centrifugal pressure acting on a liquid in a venting chamber. Air is trapped between the liquids in the inlet chamber and the vent chamber.
- a fluidics module for switching liquids is described, which can be monolithically integrated and easily manufactured, largely independent of fluid and material properties and can be adapted to a wide range of processing conditions, as well as devices with such a fluidics module and methods that use such a fluidics module.
- Exemplary embodiments relate to fluidic modules, devices and methods for retaining and selectively switching liquids in centrifugal microfluidic cartridges.
- Embodiments are based on the knowledge that it is possible on a centrifugal microfluidic platform, using appropriate fluidic structures to fill a liquid holding area, which can be centrifugally induced, a pneumatic differential pressure to the ambient pressure in downstream fluidic structures, as well as the To generate connecting fluid paths between the liquid holding area and subsequent fluidic structures, through which the liquid can be held in the liquid holding area under suitable processing conditions until the liquid can be further transferred into the subsequent fluidic structures induced by a suitable change in the processing conditions.
- the downstream fluidic structures can be vented through the other of the fluid paths.
- the ratio between pneumatic pressure and centrifugal pressure can be set or changed by appropriate processing conditions, for example rotation speed and / or temperature, in order to achieve the functionalities described.
- Embodiments are also based on the knowledge that during a, for example, centrifugally induced filling process of the liquid holding area, gas can be displaced through the connecting fluid paths between the liquid holding area and the downstream fluidic structures into the downstream fluidic structures, and that the displaced gas volume continues only by the liquid volume limited, can be selected arbitrarily by suitable configuration of the connecting fluid paths, whereby the processing conditions under which the liquid is kept in the liquid holding area, as well as the processing conditions under which the liquid is switched on into the downstream fluidic structures, are broadly and largely independent of Have fluid properties or cartridge material properties determined.
- the liquid can be introduced into a fluid chamber of the liquid holding area via a radially sloping inlet channel by a centrifugal pressure brought about by a rotation of the fluidics module.
- the rotation used when introducing the liquid into the liquid holding area can achieve the ratio between centrifugal pressure and pneumatic pressure, which prevents liquid from reaching the downstream fluidic structures.
- the inlet channel can also be connected to an upstream fluid chamber.
- a second fluid path of the two fluid paths is a ventilation channel for the downstream fluidic structures, which is closed by the liquid when the liquid is introduced into the liquid holding area. It is thus possible, at the same time as the introduction of a volume of liquid into the liquid holding area, to close a ventilation channel for the downstream fluidic structures, so that no separate means are required for this.
- the first fluid path opens into the liquid holding area in a radially outer area or at a radially outer end, so that the liquid holding area at least up to the area in which the first fluid path opens into the liquid holding area, via the first Fluid path is drainable. This makes it possible to empty a large part of the liquid or all of the liquid from the liquid holding area.
- the liquid holding area has a first fluid chamber, the first fluid path opening into the first fluid chamber in a radially outer area of the first fluid chamber or at a radially outer end of the first fluid chamber.
- the first fluid chamber can not be vented or can only be vented via a venting delay resistor when the liquid is (is) introduced into the liquid holding area, so that a gas volume enclosed in the first fluid chamber and the downstream fluidic structures or only a The volume of gas vented via a venting delay resistor arises when the liquid is (is) introduced into the liquid holding area.
- the liquid holding area has a first fluid chamber and a second fluid chamber into which a liquid can be introduced by a centrifugal pressure caused by a rotation of the fluidics module, the first fluid path opening into the first fluid chamber and the second fluid path opening into the second fluid chamber, and wherein the second fluid path can be closed by a liquid introduced into the second fluid chamber.
- the first fluid chamber and the second fluid chamber can be fluidically connected to one another via a connecting channel, the opening of which into the first fluid chamber lies radially further inward than a radially outer end of the first fluid chamber, so that liquid overflows from the first fluid chamber into the second fluid chamber when the fill level of the liquid in the first fluid chamber reaches the mouth and closes the second fluid path opening into the second fluid chamber.
- a connecting channel the opening of which into the first fluid chamber lies radially further inward than a radially outer end of the first fluid chamber, so that liquid overflows from the first fluid chamber into the second fluid chamber when the fill level of the liquid in the first fluid chamber reaches the mouth and closes the second fluid path opening into the second fluid chamber.
- the second fluid path has a siphon channel.
- the second fluid path can open into the liquid holding area in a radially outer area of the liquid holding area.
- an apex of the siphon channel of the second fluid path can lie radially further inward than an apex of the siphon channel of the first fluid path.
- the second fluid path has a siphon channel and an intermediate fluid chamber is arranged in the second fluid path between the apex of the siphon channel of the second fluid path and the mouth of the second fluid path in the liquid holding area, wherein the fluid intermediate chamber is at least partially filled with the liquid when the liquid is introduced into the liquid holding area.
- the intermediate fluid chamber can have a smaller volume than a first fluid chamber of the liquid holding area.
- a radially outer end of the intermediate fluid chamber is located radially outside of the siphon apex of the first fluid path. The first intermediate fluid chamber enables a larger amount of liquid to enter the second fluid path before its meniscus reaches the apex of the siphon channel of the second fluid path.
- the downstream fluidic structures have at least one downstream fluid chamber into which the first fluid path and the second fluid path open.
- the first and second fluid paths can also open into different chambers of the downstream fluidic structures, as long as it is ensured that there is pressure equalization between the mouths of the first and second fluid paths into the downstream fluidic structures during the fluid holding phase. It is thus possible to collect the switched liquid in the downstream fluidic structures.
- the first fluid path can open into the downstream fluid chamber radially further outward than the second fluid path. This enables the opening of the second fluid path into the downstream fluid chamber to remain free for venting when the liquid reaches or is transferred into the downstream fluidic structures.
- the downstream fluid chamber can be a first downstream fluid chamber, wherein the downstream fluidic structures can have a second downstream fluid chamber which is fluidically connected to the first downstream fluid chamber via at least one third fluid path. It is thus possible to implement fluidic structures that enable cascaded switching.
- the downstream fluidic structures can have a first downstream fluid chamber and a second downstream fluid chamber, the first downstream fluid chamber being fluidically connected to the second downstream fluid chamber via a third fluid path and a fourth fluid path, with at least the third fluid path having a siphon channel, the The third fluid path and the fourth fluid path are closed by the liquid when the liquid is caused by a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure Pressure passes through the first fluid path into the first downstream fluid chamber of the downstream fluidic structures, whereby in the second downstream fluid chamber an enclosed gas volume or a gas volume that is only vented via a venting delay resistor is created and through a ratio of the centrifugal pressure and that in the gas volume downstream in the second
- the pneumatic pressure prevailing in the fluid chamber prevents the liquid from passing through the fluid paths (in particular the third and fourth fluid paths) into the second downstream fluid chamber, and a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in the second downstream fluid chamber is effected can that the liquid passes through the
- Embodiments provide a device for switching liquid from a liquid holding area into downstream fluidic structures with a fluidic module as described herein, which has a drive device that is designed to subject the fluidic module to rotation, and an actuating device that is designed to to effect the change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure.
- the actuating device is designed to increase or decrease the rotational speed of the fluidics module in order to bring about the change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure.
- the actuating device is designed to reduce the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures by reducing the temperature in the downstream fluidic structures and / or by increasing the volume of the downstream fluidic structures and / or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures.
- Embodiments create a method for switching liquid from a liquid holding area into downstream fluidic structures using a fluidic module as described herein, having the following features: Introducing at least one liquid into the liquid holding area and holding the liquid in the liquid holding area by rotating the fluidics module, so that the liquid is dominated by the centrifugal pressure and the pneumatic pressure quasi-steady-state equilibrium is maintained in the liquid holding area; and Changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in order to transfer the liquid at least partially through the first fluid path into the downstream fluidic structures and to vent the gas volume through the second fluid path of the two fluid paths at least partially into the liquid holding area.
- holding the liquid in the liquid holding area includes generating a pneumatic overpressure in the downstream fluidic structures before the transfer is initiated.
- changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure includes an increase in the rotational speed of the fluidics module, an increase in the hydrostatic height of the liquid and / or a decrease in the pneumatic pressure.
- the holding of the liquid in the liquid holding area comprises generating a negative pressure in the downstream fluidic structures in order to set and hold menisci in the liquid holding area and the first and second fluid paths without the liquid through the first fluid path into the downstream ones To transfer fluidic structures, wherein the changing of the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure comprises a decrease in the rotational speed of the fluidic module and / or a decrease in the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures and / or an increase in the hydrostatic height of the liquid in the liquid holding area.
- changing the ratio includes reducing the pneumatic pressure by reducing the temperature in the downstream fluidic structures, increasing the volume of the downstream fluidic structures and / or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures.
- the second fluid path is not completely filled with liquid during the transfer of the liquid through the first fluid path.
- the amount of substance of the gas in the downstream fluidic structures is not changed while the liquid is held in the liquid holding area.
- Embodiments relate to microfluidic structures for centrifugal-pneumatic switching and methods for centrifugal-pneumatic switching, in particular for centrifugal-pneumatic switching of liquids from a liquid holding area, which can have a first chamber, into subsequent or downstream fluidic structures.
- Subsequent or subsequent (these terms are used interchangeably herein) fluidic structures are understood here to mean fluidic structures, such as channels or chambers, into which the liquid during handling of the same from preceding or upstream (these terms are used interchangeably herein) fluidic structures got.
- the microfluidic structures can have a first chamber that is connected to the subsequent fluidic structures via at least two fluid paths, at least the fluid path through which the liquid is transferred when switching into the subsequent fluidic structures is designed in the shape of a siphon.
- the structures and the method can be designed in such a way that the relevant pressures are given in the direction of or against the filling of the path for the liquid transfer by centrifugal pressures or pneumatic pressures. Switching in which centrifugal pressures and pneumatic pressures dominate other pressures can be referred to as centrifugo-pneumatic switching.
- pneumatic positive pressures and / or negative pressures can be used.
- the centrifugal pressure can be increased via the switching pressure, whereby the siphon is wetted and the transfer of the liquid into the subsequent fluidic structures is initiated.
- the hydrostatic height of the liquid can also be increased in order to initiate the liquid transfer, for example by adding additional liquid to the liquid holding area via upstream fluidic structures.
- the following fluidic structures can first be heated in exemplary embodiments, so that a gas contained in them expands and a part of this gas can escape. If, as a result, liquid is transferred into the liquid holding area and the frequency of rotation is increased, the liquid in the fluid connection paths can be at approximately the same radial height as in the liquid holding area.
- a negative pressure results which acts in the direction of the subsequent fluidic structures. Since the connecting paths are designed in the shape of a siphon, this increases the hydrostatic height in the connecting paths, so that in this case the centrifugal force counteracts any further filling of the connecting paths. This is the (quasi-static) state of equilibrium under negative pressure conditions.
- a switching process can then be initiated by further increasing the negative pressure and / or by reducing the centrifugal pressure.
- Embodiments represent methods for holding back liquids and triggering the switching process through other changes in the processing conditions together with the associated structures. All structures and methods have in common that during the transfer the second fluid connection between the liquid holding area and downstream fluidic structures can be used to To allow gas to escape from the downstream fluidic structures into the liquid holding area or a fluid chamber of the liquid holding area or to allow it to flow in, whereby the pneumatic pressure difference to the downstream fluidic structures can be reduced.
- the hydrostatic height is to be understood as the radial distance between two points in a centrifugal cartridge if there is a coherent amount of liquid at both points.
- Under hydrostatic pressure is to be understood the pressure difference induced by centrifugal force between two points due to the hydrostatic height between them.
- the effective fluidic resistance of a microfluidic structure is to be understood as the quotient of the pressure that drives a fluid through a microfluidic structure and the resulting liquid flow through the microfluidic structure. Aliquoting means dividing a volume of liquid into several separate individual volumes, so-called aliquots.
- Switching frequency is to be understood as the rotation frequency of a microfluidic cartridge which, when exceeded, starts a transfer process of a liquid from a first structure to a second structure.
- a siphon channel is understood to mean a microfluidic channel or a section of a microfluidic channel in a centrifugal microfluidic cartridge, in which the inlet and outlet of the channel are at a greater distance from the center of rotation than an intermediate region of the channel.
- a siphon apex is to be understood as the area of a siphon channel in a microfluidic cartridge with a minimal distance from the center of rotation.
- a venting delay resistor is to be understood as the fluidic resistance through which a fluidic structure in which there is a pneumatic differential pressure to the ambient pressure is vented.
- the fluidic resistance is at least so high that the reduction in the differential pressure by half, taking into account the ventilation through the fluidic resistance, takes at least 0.5 s. This applies at any point during the venting.
- a venting delay resistor is provided for the downstream fluidic structures
- the time profile of the pressure drop in these fluidic structures can be determined, for example, by filling the liquid holding area with liquid at a constant temperature under centrifugation and the hydrostatic height between an upstream chamber and a fluid chamber, in which the liquid is held in the liquid-holding structures, is recorded in quasi-stationary equilibrium by a suitable camera system (eg with stroboscopic exposure).
- the pneumatic overpressure in the following structures results from the rotation frequency and the hydrostatic height.
- the rate of reduction of the overpressure can therefore also be determined from this image information, from which the size of the venting delay resistor results.
- the method can be used analogously, in that liquid is filled in at a specific frequency and starting temperature and then a defined rapid cooling is generated.
- the size of the venting delay resistance results from the developing hydrostatic height in the connecting paths and their degradation rate.
- a liquid guide path is understood to mean a microfluidic structure through which liquid flows from the liquid holding area into one or more subsequent fluidic structures while the method according to the invention is being carried out.
- a gas routing path is to be understood as a microfluidic structure through which a gas exchange takes place between the subsequent fluidic structures and the liquid holding area while the method according to the invention is being carried out.
- a liquid absorption volume is to be understood as a microfluidic structure which provides a volume into which liquid is transferred after the switching process according to the invention has been triggered.
- a microfluidic cartridge is to be understood here as a device, such as a fluidic module, for example, which has microfluidic structures that enable liquid handling as described herein.
- a centrifugal microfluidic cartridge is to be understood as meaning a corresponding cartridge that is subjected to rotation can, for example, in the form of a fluidics module that can be inserted into a body of revolution or a body of revolution.
- a structure is meant whose length dimension from a fluid inlet to a fluid outlet is greater, for example more than 5 times or more than 10 times greater than the dimension or dimensions that define the flow cross section 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 with such dimensions that the flow through the chamber results in a negligible flow resistance compared to connected channels, which can be, for example, 1/100 or 1/1000 of the flow resistance of the channel structure connected to the chamber with the lowest flow resistance .
- examples of the invention can be used in particular in the field of centrifugal microfluidics, which involves the processing of liquids in the picoliter to milliliter range.
- the fluidic structures can have suitable dimensions in the micrometer range for handling corresponding liquid volumes.
- embodiments of the invention can be used on centrifugal microfluidic systems, such as are known, for example, under the designation “lab-on-a-disk”.
- radial it is meant in each case radially with respect to the center of rotation about which the fluidics module or the rotating body can be rotated.
- a radial direction is thus radially sloping away from the center of rotation and a radial direction towards the center of rotation is rising radially.
- a fluid channel whose start is closer to the center of rotation than its end is therefore radially sloping, while a fluid channel whose start is further away from the center of rotation than its end rises radially.
- a channel that has a radially rising section thus has directional components that rise radially or run radially inward. 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 in a curved manner.
- Figure 12A shows a device with a fluidics module in the form of a rotary body 10, which has a substrate 12 and a cover 14.
- Figure 13A shows a schematic plan view of the rotary body 10.
- the substrate 12 and the cover 14 can be circular in plan view, with a central opening 15 in which a center of rotation R is arranged and via which the rotary body 10 via a conventional fastening device 16 on a rotating part 18 of a drive device 20 can be attached.
- the rotating part 18 is rotatably mounted on a stationary part 22 of the drive device 20.
- the drive device 20 can be, for example, a conventional centrifuge with an adjustable rotational speed or also a CD or DVD drive.
- a control device 24 can be provided, which is designed to control the drive device 20 in order to apply rotations at different rotational frequencies to the rotating body 10.
- the control device 24 can be designed to execute a frequency protocol in order to achieve the functionalities described herein.
- the control device 24 can be implemented, for example, by a suitably programmed computing device, a microprocessor or a user-specific integrated circuit.
- the control device 24 can also be designed to control the drive device 20 in response to manual input by a user in order to effect the required rotations of the rotating body.
- the control device 24 can be configured to control the drive device 20 in order to apply the required rotational frequencies to the fluidics module in order to implement exemplary embodiments of the invention as described herein.
- a conventional centrifuge with only one direction of rotation can be used as the drive device 20.
- the rotational body 10 has the fluidic structures described herein.
- Corresponding fluidic structures are in Figure 13A indicated purely schematically by trapezoidal areas 28a to 28d.
- several fluidic structures can be arranged next to one another in the azimuthal direction, as shown in FIG Figure 13A is shown to enable parallel handling of multiple liquids.
- the fluidic structures can be formed by cavities and channels in the cover 14, the substrate 12 or in the substrate 12 and the cover 14.
- fluidic structures can be formed in the substrate 12, for example, while filling openings and ventilation openings are formed in the lid 14.
- the structured substrate including filling openings and ventilation openings
- the cover is arranged at the bottom.
- fluidic modules 32 are inserted into a rotor 30 and together with the rotor 30 form the rotary body 10.
- Figure 13B shows schematically a plan view of a corresponding fluidics module.
- the fluidic modules 32 can each have a substrate and a cover, in which in turn corresponding fluidic structures can be formed.
- the rotation body 10 formed by the rotor 30 and the fluidics modules 32 can in turn be acted upon by a drive device 20 which is controlled by the control device 24.
- the fluidic module or the rotary body which has the fluidic structures, can be formed from any suitable material, for example a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinyl chloride) or PDMS ( Polydimethylsiloxane), glass or the like.
- a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinyl chloride) or PDMS ( Polydimethylsiloxane), glass or the like.
- the rotating body 10 can be viewed as a centrifugal microfluidic platform.
- control device 24 in exemplary embodiments represents an actuating device which can adjust the rotational speed of the drive device in order to initiate the liquid transfer, ie to cause the change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure by which the liquid is switched becomes.
- the actuating device can additionally have one or more heating devices and / or cooling devices in order to control the temperature of the fluidic structures in order to initiate the liquid transfer.
- one or more temperature control elements 40 can be integrated into the rotating body, as in FIG Figures 12A and 12B is shown.
- one or more external temperature control elements 42 can be provided, via which the temperature of the fluidic structures can be adjusted.
- the external temperature control elements can, for example, be designed to measure the temperature of the environment and thus also to control the fluidics module.
- the controller can be designed to control the temperature control elements 40, 42, so that in such exemplary embodiments the actuating device can have the controller 24 and the temperature control elements.
- fluidic modules microfluidic cartridges
- fluidic structures formed therein are described.
- Fig. 1 shows schematically fluidic structures formed in a fluidic module 50.
- the fluidics module 50 is rotatable about a rotation center R.
- the fluidic structures have a liquid holding area which has a first chamber 52.
- Upstream fluidic structures are connected to the first chamber 52 and have an upstream chamber 54 which is connected to the first chamber 52 via a radially sloping connecting channel 56.
- the connecting channel 56 opens into the first chamber 52 in a radially outer region 57, for example the radially outer end.
- the first chamber can be filled centrifugally via the upstream chamber and the connecting channel 56. It should be noted at this point that the first chamber can also be filled in a different way than centrifugally, the fluidics module only being subjected to rotation after filling in order to achieve equilibrium between centrifugal pressure and pneumatic pressure.
- the fluidics module 50 furthermore has downstream fluidics structures which have a fluid chamber 58 as the fluid receiving volume, and two fluid paths 60, 62 which fluidically connect the first chamber 52 to the fluid chamber 58.
- the fluid path 62 has a siphon channel, the siphon apex 64 of which lies radially inside the radially outermost position of the first chamber 52.
- the subsequent fluidic structures in the form of the fluid chamber 58 are either not vented or can be vented via a venting delay resistor 66 which satisfies the above definition.
- a venting delay resistor 66 can optionally be provided in all of the exemplary embodiments described herein, without each having to be mentioned separately.
- the first fluid path 60 between the first chamber 52 and the subsequent fluidic structure 58 consists of a channel that runs from a radially inner region of the first chamber 52, for example from the radially innermost point 68 of the first chamber 52, to a radially inner region the subsequent fluid chamber 58, for example to the radially innermost point 70 of the subsequent fluid chamber 58.
- the second fluid path 62 between the first chamber 52 and the subsequent fluid chamber 58 is connected to the first chamber 52 in a radially outer area, for example at the radially outermost point 72, and leads via the siphon apex 64 to a radially outer area, for example the radial outermost point 74, the subsequent fluid chamber 58.
- Embodiments of a method according to the invention include introducing at least one liquid into a first chamber of the liquid holding area. This introduction can take place by a centrifugally induced transfer of a liquid into the first chamber 52. Subsequently, the fluid can be retained in the fluid holding area, for example the first chamber 52, induced by centrifugal pneumatics. The liquid can then be switched into the downstream fluidic structures, for example the downstream fluid chamber 58. During the switching process, at least one fluid path (e.g. fluid path 62) transfers at least part of the liquid from the liquid holding area (e.g. first chamber 52) into the subsequent fluidic structures (e.g. fluid chamber 58). Fluid paths through which liquid is transferred during the switching process are referred to below as liquid guiding paths.
- fluid path 62 Through at least one further fluid path (e.g. fluid path 62) between the liquid holding area (e.g. first chamber 52) and the subsequent fluid structures (e.g. fluid chamber 58), gas (usually air) from the subsequent fluid structures can be returned to the liquid during the switching process. Holding area can be transferred. Fluid paths that allow this are called gas routing paths below.
- FIGS Figures 2A to 2E show fluidic operating states of the in Fig. 1 embodiment shown during the implementation of the method.
- the respective reference symbols of the fluidic structures are in FIG Figures 2A to 2E omitted.
- a first state which in Figure 2A
- Part of the upstream chamber 54 is located radially closer to the center of rotation R than the siphon apex 64 of the fluid guide channel .
- the liquid can be introduced into the upstream chamber 54 and the connecting channel 56, for example, via an inlet opening or via further upstream fluidic structures.
- the introduced liquid 80 traps an air volume in the first chamber 52, the fluid paths 60 and 62 and the downstream fluid chamber 58 that is not vented (or is only vented via a venting delay resistor).
- the fluid path 60 which represents a ventilation channel, is also closed to the atmosphere by the liquid 80 located in the liquid holding area.
- the liquid 80 is subsequently transferred centrifugally induced from the upstream chamber 54 into the first chamber 52, the gas being compressed in the first chamber 52, the subsequent fluid structures 58 and the connecting paths 60, 62, since the first chamber 52 in is not vented in this operating state or is only vented via a venting delay resistor.
- the upstream chamber 54 can be vented so that atmospheric pressure p 0 can prevail in the same.
- gas is preferably transferred into the subsequent fluid structures 58 via the gas guide path 60.
- the fluid paths 60, 62 between first chamber 52 and subsequent fluidic structures are connected to one another via the subsequent fluidic structures, so that it is ensured that the same pneumatic overpressure prevails in the fluid paths.
- the liquid guide path 62 can also be filled with liquid, but not up to the siphon apex 64.
- the pneumatic overpressure ⁇ p that builds up in the first chamber 52 and the subsequent fluid structures 58 counteracts the further centrifugally induced filling of the first chamber 52 and the filling of the fluid guide channel 62, so that the siphon apex 64 in the fluid guide channel 62 is not wetted and the liquid that is located in the first chamber 52 and in the chamber 54 upstream of the first chamber 52, is retained.
- these fluidic structures represent a liquid holding area.
- centrifugal pressure and pneumatic overpressure dominate over other pressure sources such as capillary pressure, taking into account any fluid properties and cartridge material properties.
- these other pressure sources are not able to cause a switching process-triggering deviation from the filling state of the liquid guide path, which results from the sole consideration of the balance of pneumatic overpressure and centrifugal pressure.
- This equilibrium is also achieved within the meaning of the invention if the pressures involved are continuously varied by slight, targeted variations in the processing conditions, whereby the qualitative state of retention of the liquid in the liquid holding area (e.g. the first chamber) is not abandoned. In other words, while maintaining the liquid in a quasi-stationary equilibrium, a slight variation in the processing conditions can take place without triggering the switching process.
- the switching process can be achieved by reducing the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures, so that while the rotational frequency remains the same, fluid is pneumatically induced from the upstream chamber 54 and transferred to the first chamber 52, thereby filling the siphon apex 64 of the fluid guide path 62.
- the reduction in the pneumatic overpressure can be achieved, for example, by reducing the temperature in the subsequent fluidic structures, by increasing the volume of the subsequent fluidic structures, or by reducing the amount of gas in the subsequent fluidic structures.
- the latter can be achieved via a venting delay resistor, for example the one in Fig. 1 vent delay resistor 66 shown.
- gas is transferred from the subsequent fluidic structures via the at least one gas guide path 60 into the first chamber 52, which counteracts the build-up of additional pneumatic overpressure as a result of the liquid transfer into the subsequent fluidic structures, see Figure 2D .
- a complete transfer of the liquid from the first chamber 52 into the subsequent fluidic structures can be achieved at a fixed rotational frequency above the switching frequency, as in FIG Figure 2E is shown.
- the fluidic structures can be at atmospheric pressure po.
- the switching pressure and the associated rotation frequency of the cartridge can be selected over a wide range by suitable selection of the positions and geometries of the chambers and the fluid guide paths.
- Figure 3A shows schematically an embodiment of fluidic structures of a fluidic module 50, in which in the quasi-steady state of equilibrium, the in Figure 3B As shown, the complete first fluid chamber 52 is filled with liquid 80.
- both the liquid guide path 62 and the gas guide path 60 have a siphon-shaped channel.
- an upstream chamber 54 is fluidically connected to the first chamber 52 via a connecting channel 56 which opens into a radially outer end 90 of the upstream chamber 54.
- the liquid guide path 62 and the gas guide path 60 can as in the case of reference Fig. 1 The embodiment described open into the first chamber 52 and the downstream chamber 58.
- the siphon apex 64 of the liquid guide path 62 is arranged radially inside the radially innermost point of the first chamber, and a siphon apex 92 of the siphon channel of the gas guide path 60 can preferably lie radially inside the siphon apex 64 of the liquid guide path 62.
- the following fluidic structures have, in addition to the downstream fluid chamber 58, which represents a liquid holding volume or a liquid holding chamber, a further, separate volume 94.
- the connection point of the gas guiding path 60 to the liquid receiving volume 58 (in the embodiment shown, the radially innermost The point of the liquid absorption volume 58) can preferably be located closer to the center of rotation R of the cartridge than the radially outermost point of the liquid absorption volume 58, which means that the connection point 70 of the gas guide path 60 is wetted with the liquid 80 transferred during the switching process under the influence of the prevailing during the transfer Can prevent centrifugal force.
- the optional volume 94 separated from the liquid absorption volume 52 increases the volume of the subsequent fluidic structures in a targeted manner, whereby the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures can be reduced when the method according to the invention is carried out.
- the additional volume 94 is coupled to the gas guide path 60 via a fluid path 96.
- the fluid path 96 opens into the gas guide path 60 at an opening point 98 and into the additional volume 94 at an opening point 100.
- the preceding fluidic structures have the chamber 54, the volume of which preferably comprises a fraction of the volume of the first chamber 52, and which is connected to the first chamber 52 by the fluid path 56, the connection point 90 of which to the upstream chamber 54 is closer to the center of rotation R. of the cartridge lies as the apex of the siphon 64 in the liquid guide path 62.
- the volume of the chamber 54 can also be greater than the volume of the first chamber 52.
- the chamber 54 may be vented and at atmospheric pressure.
- the connection point 57 of the fluid connection path 56 between the preceding chamber 54 and first chamber 52 can be at any point in the first chamber 52 and does not have to be arranged in a radially outer region thereof.
- FIG. 3A The embodiment shown of a pneumatic counter-pressure siphon valve is designed for compressing the full volume of the first chamber.
- Figure 3B shows an operating state in which there is an equilibrium between the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures and the pressures in the direction of the filling of the subsequent fluidic structures.
- Figure 3C shows an operating state in which the liquid is transferred from the first chamber into the subsequent fluidic structures, and Figure 3D an operating state after the liquid transfer is complete.
- liquid 80 is introduced into first fluid chamber 52 via the upstream fluidic structures.
- the fluidic structures are designed in such a way that the first Fluid chamber 52 is completely filled with the liquid 80.
- the liquid introduced traps a gas volume in the downstream fluidic structures.
- Figure 3B the corresponding state is shown in which the liquid 80 is retained in the first chamber 52.
- the cartridge or the fluidics module can be in rotation with a rotation frequency ⁇ 1 .
- a centrifugal pressure acts in the direction of the filling of the fluid connection paths 60 and 62.
- the pressures that counteract the filling of the siphon at a greater radial distance from the center of rotation R i.e. the siphon in the liquid guide path 62
- pressures ⁇ p and possibly others such as pressures , e.g. capillary pressure
- the liquid is in a quasi-stationary equilibrium.
- the position of the liquid menisci 102, 104 in the fluid connection paths 60, 62 means that the structure described can be used to measure the amount of liquid in the first chamber 52 and the fluid connection paths, with a high level of accuracy of the measured volume being able to be achieved.
- the state shown can be filled by increasing the rotation frequency to a value> ⁇ 1 , which leads to an increase in the centrifugal pressure in the direction of the subsequent fluidic structures, or by reducing the counterpressure in the subsequent fluidic structures, the siphon apex 64 of the liquid guide path 62.
- the liquid can then be transferred from the first chamber 52 into the liquid holding volume 58 by the acting centrifugal force, as in FIG Figure 3C is shown.
- the gas is transferred from the liquid holding chamber 58 via the gas guide path 60 into the first chamber 52, as a result of which an increase in the pneumatic overpressure in the liquid holding chamber 58 is counteracted.
- Figure 4A shows fluidic structures formed in a fluidic module 50 which have an inlet channel 110, a first fluid chamber 52, a liquid guide path 62, a gas guide path 60, a downstream fluid chamber 58 and a volume chamber 112 arranged in the gas guide path 60.
- the inlet channel 110 can in turn be provided with an upstream chamber (in Figure 4A not shown) be fluidically coupled.
- a fluidic connection to preceding fluidic structures can be provided by the channel 110, the connection point of which to the first fluid chamber 52 lies radially inside the siphon apex 64 of the liquid guiding path 62.
- Downstream fluidic structures are in turn formed by downstream fluid chamber 58, which represents a liquid receiving chamber.
- the liquid receiving chamber 58 is connected to the gas guide path 60 at an opening point.
- the orifice point is preferably not at the radially outermost position of the liquid receiving chamber 58, for example in a radially inner region thereof or at the radially innermost position 70.
- the liquid receiving chamber 58 is also fluidly connected to the liquid guide path 62, preferably radially outside the connection position 72 between the liquid guide path 62 and the first fluid chamber 52.
- the liquid guiding path 62 can open into the liquid receiving chamber 58 at a radially outer position, for example at the radially outermost position 74.
- the liquid intake path 62 opens in a radially outer region, for example the radially outermost position 72, into the first fluid chamber 52, and the gas guide path 60 also opens out in a radially outer position, for example the radially outermost position 116 of FIG Figure 4A left area of the first fluid chamber 52, into the first fluid chamber 52.
- the gas guide path 60 has a siphon channel, the siphon apex 92 of which lies radially inside the siphon apex 64 of the liquid guide path 62.
- the volume chamber 112 that too can be referred to as a partial compression chamber, is arranged in the radially rising part of the siphon channel of the gas guide path 60, the gas guide path 60 opening into the partial compression chamber 112 at opening points 118 and 120.
- the partial compression chamber 112 is preferably located at a greater radial distance from the center of rotation than the siphon apex 64 of the liquid guide path 62.
- the partial compression chamber 112 can be connected to the first fluid chamber 52 by part of the gas guide path 60, the connection point at which this part of the gas guide path in the partial compression chamber 112 opens, preferably radially further away from the center of rotation than the siphon vertex 64 of the fluid guide path 62.
- the orifice point 120 can then be connected to the downstream fluidic structures via the siphon channel of the gas guide path 60, which has the siphon vertex 92.
- centrifugally induced liquid can be transferred from previously connected fluidic structures (not shown) via the inlet channel 110 into the first fluid chamber 52.
- the liquid 80 fills the first chamber from the radially outer side in the direction of the radially inner side.
- the fluid paths 60 and 62 which connect the first fluid chamber 52 with the downstream fluidic structures, for example the downstream fluid chamber 58, are filled and gas (usually air) is enclosed by the liquid 80 in the downstream fluidic structures and the fluid connection paths 60 and 62 .
- the pneumatic overpressure ⁇ p that prevails in equilibrium in the downstream fluidic structures can be largely freely selected.
- the centrifugal pressure can be increased in the direction of filling the liquid guide path 62, whereby the siphon apex 64 of the liquid guide path 62 is filled and a centrifugally induced transfer of the liquid into the subsequent fluidic structures 58 is set in motion.
- the partial compression chamber 112 has a smaller liquid volume than the first fluid chamber 52. Due to the liquid transfer from the first fluid chamber 52 into the downstream fluidic structures via the liquid guide path 62, an additional pneumatic overpressure is built up in the enclosed volume of the downstream fluid structures, which leads to a transfer of the Liquid leads from the partial compression chamber 112 into the first fluid chamber 52.
- connection position variations of the fluid paths will now be described.
- the fluidic structures shown demonstrate a possible selection of possible variations in the selection of the connection positions between the first fluid chamber 52 and the fluid connection paths 60 and 62, as well as in the design of the gas guide path 60 and the connections between the fluid connection paths 60 and 62 and the downstream fluidic structures 58.
- connection position 130 between the preceding fluidic structures (for example the inlet channel 110 and the upstream fluid chamber 54) and the first fluid chamber 52 can be at a freely selectable position of the first fluid chamber 52.
- connection positions 132, 134 of the connection paths 60, 62 between the first fluid chamber 52 and subsequent fluidic structures 58 to the first fluid chamber 52 can also be freely selected.
- the opening point 136 of the gas guide path 60 into the downstream fluid chamber 58 is preferably not at the radially outermost position of the target liquid volume.
- the connection position 138 of the liquid guide path 62 into the downstream fluid chamber 58 can be freely selected.
- the connection position 134 is preferably in a radially outer region of the first fluid chamber 52, since the first fluid chamber 52 can only be emptied up to this connection position above the liquid guide path 62.
- the gas in the first fluid chamber 52 is displaced by the inflowing liquid 80, as a result of which gas is transferred into the connections of the fluid connection paths 60, 62 between the first fluid chamber 52 and the downstream fluidic structures that are not yet wetted by the liquid.
- connection position 134 of the liquid guide path 62 to the first fluid chamber 52 can be closer to the center of rotation R than the connection position 132 of the gas guide path 60. Furthermore, more liquid can be transferred into the first fluid chamber 52 than through the first fluid chamber 52 and the fluid connection paths 60 , 62 to the radial position of the connection point located radially further inwards (the connection point 134 in the case of the in Figure 5A shown embodiment) can be included.
- the first fluid chamber 52 can also be designed without further vents, so that a pneumatic overpressure ⁇ p 1 can build up in the gas volume enclosed by the liquid 80 with the continued transfer of liquid from the upstream fluidic structures into the first fluid chamber 52, which does not is identical to the pneumatic overpressure ⁇ p in the following fluidic structures.
- the partial compression chamber 112 in the gas guide path 60 can furthermore be filled with liquid, as a result of which gas is transferred into the subsequent fluidic structures.
- connection point 120 of the fluid path 60 between the partial compression chamber 112 and the downstream fluidic structures 58 at a position that is radially outside the innermost point of the partial compression chamber 112
- a compression of gas in the partial compression chamber can be achieved in the first fluid chamber in a manner analogous to the processes described 112 occur as soon as the fill level of the liquid in the partial compression chamber 112 lies radially inside the radially innermost connection point to the partial compression chamber 112.
- connection point 134 between the liquid guide path 62 and the first fluid chamber 52 lies radially inside the radially outermost point of the first fluid chamber 52, the transfer can stop as soon as the liquid meniscus 122 in the first fluid chamber 52 reaches the radial position of the connection point 134.
- Figure 5D lead to liquid remaining in the first fluid chamber 52, which results in the possibility of mixing the same fluidic structures with different liquids in the first fluid chamber 52 by using the same fluidic structures several times.
- the downstream fluidic structures can be provided by cascading the structures described, that is to say by instances of the structure described being offset radially outward.
- FIG. 11 shows an exemplary embodiment of cascaded fluidic structures in a fluidic module 50.
- the cascaded fluidic structures essentially represent a combination of those referring to FIG Figures 3A to 3D and 4A to 4D
- the construction of the upstream fluid chamber 54, the connecting channel 56, the first fluid chamber 52, the gas guide path 60, the liquid guide path 62 and the downstream fluid chamber 58 corresponds to that referring to FIG Figures 3A to 3D described structure of the corresponding structures.
- These elements form the in Fig. 6 cascaded fluidic structures shown a first switching structure.
- a gas guide path 160, a liquid guide path 162 and a further downstream fluid chamber 158 form a second switching structure.
- a vent delay resistor 66 may optionally be provided.
- An intermediate compression chamber 112 is arranged in the gas guide path 160.
- the structure of the gas guide path 160, the intermediate compression chamber 112 and the liquid guide path 162 can be substantially the same as the structure of the gas guide path 60, the intermediate compression chamber 112, and the gas guide path 62 correspond to those referring to FIG Figure 4A have been described.
- the liquid guiding path 162 can open into the downstream fluid chamber 58 in a radially outer region, for example the radially outermost position, and can open into the downstream fluid chamber 158 in a radially outer region, for example the radially outermost position.
- the gas guide path 160 can open into the downstream fluid chamber 58 in a radially outer region, for example the radially outermost position, and can open into the downstream fluid chamber 158 in a radially inner region, for example the radially innermost position.
- the fluid paths 160 and 162 overall have a radial gradient, that is to say the opening of the same into the fluid chamber 158 lies radially further outward than the opening of the same into the fluid chamber 58.
- FIG. 6 shows an illustration of the fluidic processes during the method for cascading liquids using the vent delay resistor 66.
- Figure 7A shows liquid 80 in the first fluid chamber 52 of the first switching structure.
- Figure 7B shows a liquid transfer into the liquid target chamber 58 of the first switching structure, which at the same time represents the first fluid chamber of the second switching structure.
- Figure 7C shows the final state of the first switching process, which at the same time represents the equilibrium state before the initiation of the second switching process.
- Figure 7D Figure 12 shows the transfer of the liquid into the liquid target chamber 158 of the second switching structure.
- Figure 7E shows the final state after completion of the second liquid transfer.
- a second switching operation can be implemented due to the presence of a development delay resistor.
- liquid is centrifugally induced and transferred into the first fluid chamber 52 and the fluid connection paths 60, 62 and the gas present in these is displaced into the subsequent fluidic structures, whereby a pneumatic overpressure arises in these, which counteracts the further filling and thus the wetting of the siphon apex 64 in the liquid guide channel 62.
- the downstream fluidic structures have the downstream fluid chamber 58, the fluid paths 160, 162 and the downstream fluid chamber 158.
- the wetting of the siphon apex 164 of the liquid guide path 162 can in turn be achieved at a constant or decreasing rotational frequency, whereby the second liquid transfer into the downstream fluid chamber 158, that is, the liquid target structure of the second switching structure can be achieved.
- gas can be vented from the fluid chamber 158 via the gas guide path 160 into the fluid chamber 58.
- the operating state of the liquid transfer is in Figure 7D shown.
- the operating state after completion of the second liquid transfer into the liquid chamber 158 is shown in Figure 10E.
- a liquid transfer is effected by changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure.
- This ratio can be changed in different ways.
- the ratio can be changed by increasing a rotation speed of the fluidics module.
- a drive device by means of which the fluidics module is set in rotation, can be controlled accordingly by means of a corresponding control device.
- a vent delay resistor can be provided which can be viewed as an actuator designed to reduce the pneumatic pressure.
- the pneumatic pressure can be reduced by controlling, in particular reducing, the temperature of the enclosed gas volume.
- the pneumatic pressure can be reduced by increasing the volume of the downstream fluidic structures.
- the downstream fluidic structures can have one or more fluid chambers, the volume of which is adjustable.
- FIG. 8A through 8E an exemplary embodiment is described below in which a negative pressure is used in the downstream fluidic structures, ie a reduction in the pressure in the downstream fluidic structures below the ambient pressure.
- switching can take place using temperature and / or centrifugal pressure changes.
- a temperature-controlled reduction in pressure in the subsequent fluidic structures which is used to initiate the transfer of liquid from the first fluid chamber into the target liquid volume, can be achieved by reducing the temperature of the gas in the subsequent fluidic structures.
- the fluidic structures formed in a fluidic module 50 have an inlet channel 200 which connects a first fluid chamber 202 to preceding fluidic structures (not shown).
- the first fluid chamber 202 can be vented via a fluid path 204.
- the first fluid chamber 202 is connected via a first fluid path 206 and a second fluid path 208 to downstream fluidic structures 210 which have a fluid receiving chamber.
- the first fluid path 206 has a siphon channel with a siphon apex 212.
- the second fluid path 208 also has a siphon channel, the siphon apex 214 of which is arranged radially further inward than the siphon apex 212 of the first fluid path 206.
- the first fluid path 206 represents a liquid guide path
- the second fluid path 214 represents a gas guide path
- the fluid communication paths 206 and 208 need not include any further chambers.
- the liquid guide path 212 is connected to the first fluid chamber in a radially outer area, preferably at the radially outermost position.
- the gas guide path 208 is connected to the first fluid chamber 202 in a region which is wetted with liquid when the first fluid chamber 202 is filled. Such a filling of the first fluid chamber can be induced centrifugally via the inlet channel 200. Possible positions for the openings of the fluid paths 206 and 208 into the first fluid chamber 202 result from the chamber geometry and the amounts of liquid used in the context of the method.
- the Siphon vertex 212 of the liquid guide path 206 is preferably located radially inside the position which is reached during operation through the meniscus of the liquid in the first fluid chamber, in particular during a first processing step, while the liquid in the first fluid chamber 202, which represents a liquid holding area, is held.
- the gas guide path 208 can open into the downstream fluidic structures 210 in a radially inner region
- the liquid guide path 206 can open into the downstream fluidic structures 210 in a radially outer region.
- fluidic structures shown represent fluidic structures for vacuum-based centrifugal-pneumatic venting siphon valve switching, as can be seen from the following description of an embodiment of a method according to the invention using the in Figure 8A fluidic structures shown becomes clear.
- liquid from upstream fluidic structures (not shown) is centrifugally induced and transferred through the inlet channel 200 into the first fluid chamber 202.
- liquid is also transferred into the radially inwardly extending regions of the siphon-shaped connecting paths 206, 208 between the first fluid chamber 202 and the subsequent fluidic structures 210.
- the further liquid flowing into the connection paths displaces the gas contained in the connection paths into the downstream fluidic structures, which results in an overpressure in the subsequent fluidic structures at a constant temperature, as in Figure 8B is shown.
- This overpressure as the difference to atmospheric pressure can be a small fraction of the atmospheric pressure, so that a negligible overpressure results during the introduction.
- the following fluidic structures 210 can be cooled, for example by reducing the ambient temperature or by cooling elements in contact with the cartridge, which results in a negative pressure in the following fluidic structures, as shown in FIG Figure 8C is indicated.
- the processing conditions e.g.
- wetting of the siphon apex 212 of the liquid guide path 206 can be achieved in a subsequent step by reducing the centrifugal pressure, for example by reducing the rotational frequency or by further reducing the pressure in the subsequent fluidic structures, for example by further reducing the temperature and thus a transfer of the liquid from the first fluid chamber 202 into the downstream fluidic structures 210.
- liquid can also be fed into the fluid chamber 202 in order to wet the top of the siphon, wherein the fill level can be raised above the top of the siphon.
- the transferred liquid can lead to a compression of the gas present in the downstream fluidic structures 210, so that an overpressure can arise in it, which leads to a transfer of gas from the downstream fluidic structures via the gas guide path 208 into the first fluid chamber 202 , as in Figure 8D is shown.
- the first fluid chamber 202 empties completely into the downstream fluidic structures via the liquid guide path 206, as in FIG Figure 8E is shown.
- the liquid holding area has a first fluid chamber.
- the liquid holding area can have a plurality of fluid chambers, which may or may not be connected via one or more fluid channels.
- Corresponding fluidic structures are again formed in a fluidic module 50.
- the fluidic structures have upstream fluidic structures, a liquid holding area and downstream fluidic structures.
- the liquid holding area has a first fluid chamber 300 and a second fluid chamber 302.
- the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302 are fluidically connected via a radially sloping connection channel 304.
- the upstream fluidic structures have an upstream fluid chamber 306 which, in a region thereof which is radially outer with respect to a rotation center R, can have chamber segments 306a and 306b which enable liquid volumes to be measured.
- the chamber segment 306a is fluidically connected to the first fluid chamber 300 via a fluid channel 308 and the chamber segment 306b is fluidically connected to the second fluid chamber 302 via a fluid channel 310.
- Another inlet channel 312 can be fluidically connected to the first fluid chamber 300.
- Another inlet channel / vent channel 314 can be fluidically connected to the second fluid chamber 302.
- a vent 316 is shown schematically in FIG Fig. 9 shown.
- a further filling / venting channel 318 can also be provided.
- the upstream fluidic structures in the in Fig. 9 could also consist only of an inlet channel which is fluidically connected to the first fluid chamber 300 and which enables the first fluid chamber 300 to be filled, for example centrifugally induced filling from an inlet chamber fluidly connected to the corresponding inlet channel.
- the first fluid chamber 300 is connected via a liquid guide path 320 with downstream fluidic structures 322 in the form of a downstream fluid chamber.
- the second fluid chamber 302 is connected to the downstream fluidic structure 322 via a gas guide path 324.
- the liquid guide path 320 has a siphon channel with a siphon apex 326.
- the gas routing path 324 likewise has a siphon channel with a siphon apex 328.
- the achievable hydrostatic height difference between the meniscus in chamber 302 and the siphon apex 328 is preferably higher than the hydrostatic height difference to be overcome between the meniscus in chamber 300 and the siphon apex 326.
- the liquid guide path 320 opens into the first fluid chamber 300 in a radially outer area, preferably at a radially outer end.
- the gas guide path 328 opens into the second fluid chamber 302 in a radially outer area, preferably at a radially outer end.
- the first fluid chamber 300 can be designed in such a way that when the same is filled with a first volume of liquid, the downstream fluidic structures 322 remain vented via the gas guide path 324 to the second fluid chamber 302.
- This operating state in which a first volume of liquid 380 is introduced into the first fluid chamber 300 is shown in FIG Figure 10A shown. Changes in the temperature and / or rotational frequency can continue to be carried out without the liquid being switched into the downstream fluidic structures 322. In the event that capillary forces are negligible, the liquid in this state is quasi stored in the fluid chamber 300.
- a negative pressure can be generated in the downstream fluidic structures 322 by reducing the temperature and correspondingly reducing the pressure, as shown in FIG Figure 10C is shown.
- it can subsequently be brought about by reducing the centrifugal pressure and / or by further reducing the pressure in the subsequent fluidic structures that the liquid is transferred via the liquid guide path 320 into the downstream fluidic structures 322, as in FIG Figure 10D is shown.
- the siphon channel of the liquid guide path 320 is designed in such a way that, for example, when the temperature is reduced and the pressure is reduced as a result, only this siphon switches, so that preferably only the liquid is transferred from the first fluid chamber 300 and not the liquid from the second fluid chamber 302 becomes.
- a potential overpressure in the downstream fluidic structures 322 due to the transfer of the liquid from the first fluid chamber 300 pushes the liquid from the gas guide channel 324 back into the second fluid chamber 302, with air escaping through the second fluid chamber 302 in the form of air bubbles rising through the liquid can.
- the entire liquid can thus be transferred from the first fluid chamber 300 into the downstream fluidic structures 322.
- the siphon channels of both the liquid guide path 320 and the gas guide path 324 can also be filled with liquid.
- both the liquid in the first fluid chamber 300 and the liquid in the second fluid chamber 302 would then be at least partially transferred.
- the negative pressure in the chamber 322 can be at least partially compensated for.
- an overpressure can be generated beyond the equalization of the negative pressure, which leads to a reversal of the flow direction of the liquid and then to a phase change to gas within one of the siphon channels, in the embodiment shown in the gas guide channel 324, whereby gas from the subsequent fluidic structures 322 is vented into the chamber 302.
- An embodiment as described with reference to the Figures 9 to 10D can be useful for measuring a liquid before switching to a predefined volume. Liquid volumes below the target volume are not switched.
- FIG. 9 The fluidic structures described can also be used to add a second liquid, as hereinafter referred to in FIG Figures 11A to 11E is explained.
- Figure 11A corresponds to the operating state off Figure 10A , in which a first liquid volume 380 is introduced into the first fluid chamber 300 and is quasi stored in the first fluid chamber 300. If a second liquid now flows through the inlet channel 310 into the second fluid chamber 302, the subsequent fluidic structures 302 are hermetically sealed. For this purpose, the second liquid can either flow exclusively into the second fluid chamber 302 via the channel 310, or divided into the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302 via the channels 308 and 310. The corresponding supplied volumes can for this purpose in the chamber segments 306a and 306b of upstream fluid chamber 306 are measured, as in Figure 11B is shown. When the second liquid flows into the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302, the first and second liquids can be mixed in the first fluid chamber 300.
- the liquid can subsequently be transferred from the first fluid chamber 300 into the downstream fluidic structures 322, as described above with reference to FIG Figures 8A through 8E and 10A to 10D has been described.
- the liquid can be transferred into the downstream fluidic structures by reducing the temperature and correspondingly reducing the pressure.
- Fluidic structures as referring to the Figures 9 through 11E may be particularly useful for storing a first liquid in a first fluid chamber of a fluid holding area while a second liquid is still undergoing further independent process steps. These process steps can largely use freely required rotational frequencies and temperatures without the liquid in the first fluid chamber 300 being switched via the liquid guiding path 320. After its processing, the second liquid can be added to the first fluid chamber 300 and the second fluid chamber 302. The resulting liquid mixture can then be switched on by reducing the temperature.
- the fluid chamber of the fluid holding area can also be divided into three or more chambers.
- the various chambers of the liquid holding area do not have to be connected via channels, with the exception of the connection via the downstream fluidic structures and the connecting channels that connect the fluid chamber to the downstream fluidic structures.
- the liquid guiding path opens into a liquid receiving chamber of the downstream fluidic structures at a position that lies radially outside a position at which the liquid guiding path opens into a fluid chamber of the liquid holding area.
- the liquid guide path has a radial gradient overall. It is thus possible to transfer the liquid from the corresponding chamber of the liquid holding area into the subsequent fluidic structures via the liquid guiding path, which has a siphon channel, via a siphon apex, which is radially inside the mouth of the liquid guiding path into the fluid chamber of the liquid holding area is arranged.
- the downstream fluidic structures can have at least one liquid receiving chamber into which the liquid is transferred.
- the liquid holding area can have at least one fluid chamber from which the liquid is transferred into the downstream fluidic structures.
- the fluidic structures are designed in such a way that centrifugal pressures and pneumatic pressures play a major role, while capillary forces can be negligible.
- the respective fluid paths can be designed as fluid channels, with chambers, for example partial compression chambers, being able to be arranged in the fluid paths.
- Embodiments thus create fluidic modules, devices and methods in which two fluid connection paths are provided between a chamber in which a liquid is retained before switching and a target structure for the liquid after the switching process.
- This enables a monolithic implementation of a structure for switching a liquid, which is largely independent of the properties of the liquid, when a high rotational frequency of the cartridge is either exceeded or not reached.
- Exemplary embodiments create a centrifugal-pneumatic vent siphon valve that has fluidic structures on a centrifugal test carrier.
- the fluidic structures can have a first number of chambers, subsequent fluidic structures, and at least two fluid paths which connect the first number of chambers to the subsequent fluidic structures.
- At least one of the fluid paths between the first number of chambers and the subsequent fluidic structures contains a siphon channel, the connection via the fluid paths from the first number of chambers to the subsequent fluidic structures being arranged such that when the first number of chambers is filled with liquid a state can be created in which a gas volume enclosed by the liquid arises in the subsequent fluidic structures or a quasi-enclosed gas volume arises in which the subsequent structures have a vent with a vent delay resistor.
- a siphon channel is provided in at least one of the fluid connection paths between the first number of chambers and the subsequent fluidic structures, the siphon apex lying radially inside the radially outermost position of a first chamber into which the siphon channel opens.
- the following fluidic structures are not vented.
- the number of chambers can comprise one chamber or more than one chamber.
- Embodiments create a method for retaining and switching liquids using a corresponding centrifugo-pneumatic vent siphon valve, in which one or more liquids in a liquid holding area (a first number of chambers) in a quasi-static dominated by centrifugal pressures and pneumatic pressures Equilibrium is / are retained, so that a subsequent initiation of a transfer of at least one liquid from the liquid holding area into the subsequent fluidic structures is only possible by changing the acting centrifugal and / or pneumatic pressures.
- gas is transferred from the subsequent fluidic structures in the direction of the liquid holding area via at least one fluid path.
- At least one fluid connection path between the liquid holding area and the following fluidic structures is not completely filled with liquid during the transfer of liquid from the liquid holding area into the subsequent fluidic structures.
- the amount of substance of the gas in the subsequent fluidic structures is not changed by a fluid path connected to the environment, while liquid is retained in the liquid holding area.
- liquid is retained in the liquid holding area due to a pneumatic negative pressure in the subsequent fluidic structures before the transfer is initiated.
- liquid is retained in the liquid holding area due to a pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures before the transfer is initiated.
- Exemplary embodiments can have any modifications and combinations of the schematic exemplary embodiments shown and are not restricted by these.
- Embodiments of the invention thus provide methods for switching fluid using a centrifugo-pneumatic vent siphon valve having fluidic structures as described herein.
- embodiments of the structure described in connection with the described method in the field of centrifugal microfluidics can simultaneously meet several requirements for the unit operations of holding back and later targeted switching on of a liquid.
- Embodiments enable a monolithic realization of the associated fluidic structures in a centrifugal microfluidic cartridge.
- Exemplary embodiments offer the possibility of designing the structure, so that the functional principle is largely independent of the properties of the liquid and cartridge material. This includes in particular the contact angle between the liquid and the cartridge material, as well as the viscosity and surface tension of the liquid.
- Embodiments offer the possibility of further adaptations of the fluidic structures in order to determine the necessary processing conditions for the triggering of a switching process in wide areas.
- the adaptation possibilities can in particular relate to the possibility of free choice of the gas volume transferred into the subsequent fluidic structures and the pneumatic overpressure achieved thereby.
- Exemplary embodiments offer the possibility of initiating the switching process using various changes in the processing conditions. This includes, in particular, rotation frequencies, temperatures and waiting times (when using a ventilation delay resistor) during processing.
- Embodiments offer the possibility of using temperature changes as a function of the process control to switch a liquid when increasing above a threshold frequency or when reducing the rotation frequency below a threshold frequency.
- Embodiments offer the possibility of producing the microfluidic structures without sharp edges, that is, with low demands on production processes, such as. B. Injection molding and injection compression molding.
- Embodiments make it possible to avoid strongly increasing pneumatic pressures in the fluid target volume during the fluid transfer after the switching process.
- Exemplary embodiments offer the possibility of cascading the fluidic structures.
- embodiments offer the possibility of multiple use of the fluidic structures in order to hold back several liquids one after the other and to switch them in a targeted manner.
- Embodiments are configured to change the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in order to exceed a threshold at which a siphon apex of the siphon channel in the first fluid path is overcome, so that a transfer of the liquid from the liquid holding area into the downstream fluidic structures takes place.
- Exemplary embodiments describe variants of the fluidic structures and associated methods, which show different possibilities for influencing the equilibrium of the pressures that act in the direction of or against the initiation of the switching process according to the invention.
- Embodiments of the invention are also based on the knowledge that the switching principle described can easily be combined with other operations on the same centrifugal microfluidic platform, for example by directing a liquid into a structure according to the invention after previous fluidic operations or by cascading the switching structure described.
Description
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Verfahren zum zentrifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüssigkeitshaltebereich in nachfolgende Fluidikstrukturen unter Ausnutzung eines Verhältnisses von Zentrifugaldruck zu pneumatischem Druck.The present invention is concerned with methods for centrifugo-pneumatic switching of liquids from a liquid holding area into downstream fluidic structures using a ratio of centrifugal pressure to pneumatic pressure.
Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht, 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. Allgemein können solche Strukturen, die zur Handhabung von Fluiden ausgelegt sind, als Fluidikstrukturen bezeichnet werden. Allgemein können solche Kartuschen als Fluidikmodule bezeichnet werden.Centrifugal microfluidics deals with the handling of liquids in the picoliter to milliliter range in rotating systems. Such systems are mostly single-use polymer cartridges that are used in or in place of centrifuge rotors with the intention of automating laboratory processes. Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting can be implemented in a microfluidic cartridge. For this purpose, the cartridges contain channels for guiding the fluid, as well as chambers for collecting liquids. In general, such structures that are designed to handle fluids can be referred to as fluidic structures. Such cartridges can generally be referred to as fluidics modules.
Die Kartuschen werden mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik. Die bislang häufigste Ausführung von Kartuschen ist eine zentrifugal-mikrofluidische Scheibe, die in speziellen Prozessiergeräten eingesetzt wird und unter den Bezeichnungen "Lab-on-a-disk", "LabDisk", "Lab-on-CD", etc. bekannt ist. Andere Formate, wie z.B. mikrofluidische Zentrifugenröhrchen, die unter der Bezeichnung "LabTube" bekannt sind, können in Rotoren bereits bestehender Standardlaborgeräte eingesetzt werden.The cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the liquids in the cartridges can be moved by the centrifugal force. Centrifugal microfluidics are mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics. The most common design of cartridges to date has been a centrifugal microfluidic disk that is used in special processing devices and is known under the names "Lab-on-a-disk", "LabDisk", "Lab-on-CD", etc. Other formats, such as microfluidic centrifuge tubes known as "LabTube", can be used in the rotors of existing standard laboratory equipment.
Für die Verwendung fluidischer Grundoperation in einem möglichen Produkt ist die Robustheit und Einfachheit der Handhabung des Prozesses von höchster Bedeutung. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Grundoperation monolithisch realisiert ist, so dass keine zusätzlichen Komponenten oder Materialien, die durch Materialkosten oder zusätzliche Aufbau- und Verbindungstechnik (Assemblierung) die Kosten der Kartusche wesentlich steigern würden, erforderlich sind.For the use of fluidic basic operations in a possible product, the robustness and simplicity of the handling of the process is of the utmost importance. It is also advantageous if the basic operation is implemented monolithically, so that no additional components or materials that are caused by material costs or additional construction and connection technology (assembly) would significantly increase the cost of the cartridge.
Im Besonderen wird das Schalten von Flüssigkeiten als fundamentale Operation für die Ausführung von Prozessketten benötigt, um nacheinander ablaufende fluidische Prozessierungsschritte voneinander zu trennen. Für die Automatisierung von Laborprozessen in einem zentrifugal-mikrofluidischen Rotor sind Schaltprozesse somit unabdingbar.In particular, the switching of liquids is required as a fundamental operation for the execution of process chains in order to separate successive fluidic processing steps from one another. Switching processes are therefore indispensable for the automation of laboratory processes in a centrifugal microfluidic rotor.
Ein Beispiel ist das Abmessen von Flüssigkeitsvolumina für die Erzeugung von Aliquots, bei denen nach einem Messschritt die Flüssigkeiten zu nachfolgenden Prozessschritten weitergeschaltet werden. Weitere Beispiele sind Inkubations- und Mischprozesse bei denen die Inkubationszeit oder der Abschluss des Mischprozesses vor dem Weiterschalten erreicht sein muss.One example is the measuring of liquid volumes for the generation of aliquots, in which the liquids are switched to subsequent process steps after a measuring step. Further examples are incubation and mixing processes in which the incubation time or the completion of the mixing process must be reached before switching on.
Eine wesentliche Herausforderung während der Entwicklung von Kartuschen zur zentrifugalen mikrofluidischen Fluidhandhabung ist die Anpassung der beinhalteten Strukturen an die Eigenschaften der zu prozessierenden Fluide sowie an die Wechselwirkungen der Fluide mit den verwendeten Kartuschenmaterialien. Daraus ergibt sich insbesondere ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, die weitgehend von den Eigenschaften der Fluide und deren Wechselwirkung mit dem Kartuschenmaterial unabhängig sind. Dies umfasst insbesondere folgende Eigenschaften der Fluide und Kartuschenmaterialien: die Oberflächenspannung der Fluide, deren Kontaktwinkel zu den verwendeten Kartuschenmaterialien, die Viskositäten der Fluide und die chemische Zusammensetzung der Fluide.A major challenge during the development of cartridges for centrifugal microfluidic fluid handling is the adaptation of the structures involved to the properties of the fluids to be processed as well as to the interactions of the fluids with the cartridge materials used. This results in a need in particular for structures and methods for switching fluids that are largely independent of the properties of the fluids and their interaction with the cartridge material. This includes in particular the following properties of the fluids and cartridge materials: the surface tension of the fluids, their contact angle with the cartridge materials used, the viscosities of the fluids and the chemical composition of the fluids.
Eine weitere Herausforderung für die Entwicklung von mikrofluidischen Kartuschen liegt in den Fertigungsanforderungen. Strukturen, die hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen, führen zu höheren Kosten bei der Fertigung und einem größeren Risiko für den Ausfall der Kartuschen während der Prozessierung. Daraus ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, die hinsichtlich ihrer Funktion gegen fertigungsbedingte Abweichungen robust sind. Weiterhin ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen, die durch etablierte Fertigungsverfahren - welche hohe Fertigungspräzisionen erlauben - leicht fertigbar sind. Insbesondere für die Fertigungsverfahren Spritzguss und Spritzprägen ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, die, im Gegensatz z.B. von sogenannten Kapillarventilen, ohne scharfkantige Geometrieübergänge auskommen.Another challenge for the development of microfluidic cartridges lies in the manufacturing requirements. Structures that place high demands on manufacturing tolerances lead to higher manufacturing costs and a greater risk of cartridge failure during processing. This results in a need for structures and methods for switching fluids, in particular liquids, which are robust with regard to their function against production-related deviations. Furthermore, there is a need for structures that can be easily manufactured using established manufacturing processes - which allow high manufacturing precision. In particular for the manufacturing processes of injection molding and injection compression molding, there is a need for structures and processes for switching fluids which, in contrast to so-called capillary valves, for example, manage without sharp-edged geometrical transitions.
Im Bereich der zentrifugalen Mikrofluidik wirkt ein Prozessierungsprotokoll im Allgemeinen auf alle Fluidikstrukturen einer Kartusche gleichzeitig ein. Durch die zunehmende Integration von nacheinander oder parallel ablaufenden Prozessierungsschritten ergeben sich dadurch im Allgemeinen zunehmend Einschränkungen für die zulässigen Prozessierungsprotokolle. Um verschiedene fluidische Operationen dennoch auf einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche integrieren zu können, ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, für die die exakten Bedingungen für das Auftreten des Schaltvorgangs durch geeignete Ausgestaltung in einem weiten Rahmen eingestellt werden können.In the field of centrifugal microfluidics, a processing protocol generally acts simultaneously on all fluidic structures of a cartridge. As a result of the increasing integration of processing steps running one after the other or in parallel, there are generally increasing restrictions for the permissible processing protocols. In order to still be able to integrate various fluidic operations on a centrifugal microfluidic cartridge, there is a need for structures and methods for switching fluids for which the exact conditions for the switching operation to occur can be set within a wide range by suitable design.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten zum Schalten von Flüssigkeiten auf zentrifugalen mikrofluidischen Plattformen bekannt. Eine Übersicht über aktive und passive, sowie monolithische und nicht monolithische Strukturen und Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten ist bei
In der genannten Schrift von S. Zehnle et.al. ist ferner eine weitere Ventilschaltung beschrieben, bei der Flüssigkeit zentrifugal von einer ersten Kammer durch einen Auslasskanal in eine zweite Kammer und gleichzeitig in einen abzweigenden Siphon getrieben wird. Da bei dieser weiteren Ventilschaltung die erste Kammer entlüftet ist und die zweite Kammer nicht entlüftet ist, wird beim Treiben der Flüssigkeit in die zweite Kammer ein Gasvolumen in der zweiten Kammer eingeschlossen und komprimiert. Dieses Gasvolumen expandiert bei Verringerung der Drehzahl und treibt Flüssigkeit in den Siphon. Bei hoher Verzögerungsrate der Drehzahl und entsprechender Dimensionierung der Strömungswiderstände wird genügend Flüssigkeit in den Siphon getrieben, um diesen komplett zu füllen, so dass die Flüssigkeit aus der ersten und zweiten Kammer durch den Siphon getrieben und in einer dritten Kammer aufgefangen werden kann. Diese Ventilfunktion ist auch in der
Aus der
Allen in der genannten Schrift von S. Zehnle beschriebenen Ventilschaltungen ist gemeinsam, dass das Ende des Siphons, durch den die Flüssigkeit getrieben wird, entlüftet ist. Somit ist auch die dritte Kammer, die lediglich als Auffangkammer dient, entlüftet und nicht mit einem weiteren fluidischen Element gekoppelt. Sie verfügt über die Funktion als Auffangkammer hinaus über keine weiteren fluidischen Funktionen und kann durch keine Art der Dimensionierung die beschriebenen Ventilfunktionen beeinflussen.All the valve circuits described in the cited document by S. Zehnle have in common that the end of the siphon through which the liquid is driven is vented. The third chamber, which only serves as a collecting chamber, is thus also vented and not coupled to a further fluidic element. In addition to its function as a collecting chamber, it has no other fluidic functions and cannot influence the valve functions described by any type of dimensioning.
Solche zentrifugal-pneumatischen Ventile erlauben nur die Kompression eines durch den Verbindungskanal zwischen Messkanal und Zielstruktur gegebenen geringen Gasvolumens, bevor Flüssigkeit in die Zielkammer gelangt. Dadurch ist die Schaltfrequenz strukturbedingt auf geringe Frequenzen beschränkt. Gleichzeitig besteht eine Abhängigkeit der Schaltfrequenz von den Flüssigkeitseigenschaften, da der Kapillarventileffekt, der für das zentrifugo-pneumatische Ventil eine Rolle spielt, von der Oberflächenspannung und den Kontaktwinkeln zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial abhängt. Weiterhin ergibt sich gegebenenfalls aus dem beschriebenen Kapillarventil-Anteil des zentrifugo-pneumatischen Ventils die Anforderung eines scharfkantigen Übergangs des Verbindungskanals zur Zielkammer, was mit Zusatzaufwand für die Fertigung einhergeht.Such centrifugal-pneumatic valves only allow the compression of a small volume of gas given by the connecting channel between the measuring channel and the target structure before liquid reaches the target chamber. As a result, the switching frequency is restricted to low frequencies due to the structure. At the same time, the switching frequency is dependent on the liquid properties, since the capillary valve effect, which plays a role for the centrifugo-pneumatic valve, depends on the surface tension and the contact angles between the liquid and the cartridge material. Furthermore, the described capillary valve portion of the centrifugal-pneumatic valve may result in the requirement for a sharp-edged transition from the connecting channel to the target chamber, which is associated with additional manufacturing costs.
Aufgrund des Schaltprinzips ist ein solches zentrifugal-pneumatisches Aliquotieren nur für Prozessketten geeignet, bei denen durch Verringerung der Rotationsfrequenz geschaltet werden kann oder soll. Darüber hinaus muss eine minimale Abbremsgeschwindigkeit erreicht werden, um die Flüssigkeit in ein Zielvolumen zu transferieren, wodurch sich Einschränkungen bei den verwendbaren Prozessierungsgeräten ergeben. Falls durch Erhöhung der Rotationsfrequenz geschaltet werden soll, da Prozesse vor dem Schalten bei geringer Rotationsfrequenz ablaufen müssen, kann das zentrifugal-pneumatische Aliquotieren ebenfalls nicht eingesetzt werden. Weiterhin wird für das zentrifugal-pneumatische Aliquotieren zusätzlicher Platz für die Druckkammer benötigt, der gegebenenfalls für die Einbringung von Strukturen für andere Operationen auf der Kartusche verloren geht. Der Bedarf nach starken Unterschieden in den fluidischen Widerständen zwischen Einlass- und Auslasskanälen führt zu zusätzlichen Anforderungen an die Fertigung, da hohe fluidische Widerstände durch geringe Kanalquerschnitte erreicht werden, die dadurch hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen.Due to the switching principle, such centrifugal-pneumatic aliquoting is only suitable for process chains in which switching can or should be done by reducing the rotation frequency. In addition, a minimum deceleration rate has to be achieved in order to transfer the liquid into a target volume, which results in restrictions in the processing devices that can be used. If switching is to be carried out by increasing the rotation frequency, since processes must run at a low rotation frequency before switching, centrifugal-pneumatic aliquoting cannot be used either. Furthermore, for the centrifugal-pneumatic aliquoting, additional space is required for the pressure chamber, which may be lost for the introduction of structures for other operations on the cartridge. The The need for strong differences in the fluidic resistances between inlet and outlet channels leads to additional demands on production, since high fluidic resistances are achieved through small channel cross-sections, which therefore place high demands on the manufacturing tolerances.
Die Erfindung ist durch die vorliegenden Ansprüche definiert. Beschrieben werden ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeiten, das monolithisch integrierbar und leicht fertigbar, weitgehend flüssigkeits- und materialeigenschaftsunabhängig und auf einen weiten Bereich von Prozessierungsbedingungen anpassbar ist, sowie Vorrichtungen mit einem solchen Fluidikmodul und Verfahren, die ein solches Fluidikmodul verwenden.The invention is defined by the present claims. A fluidics module for switching liquids is described, which can be monolithically integrated and easily manufactured, largely independent of fluid and material properties and can be adapted to a wide range of processing conditions, as well as devices with such a fluidics module and methods that use such a fluidics module.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum Zurückhalten und gezielten Schalten von Flüssigkeiten in zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen.Exemplary embodiments relate to fluidic modules, devices and methods for retaining and selectively switching liquids in centrifugal microfluidic cartridges.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen, mit folgenden Merkmalen:
- einem Flüssigkeits-Haltebereich, in den eine Flüssigkeit einbringbar ist,
- mindestens zwei Fluidpfaden, die den Flüssigkeits-Haltebereich mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen fluidisch verbinden,
- wobei mindestens ein erster Fluidpfad der beiden Fluidpfade einen Siphonkanal aufweist, wobei ein Siphonscheitel des Siphonkanals radial innerhalb einer radial äußersten Position des Flüssigkeits-Haltebereichs liegt,
- wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen nicht entlüftet sind oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet sind, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht ist, so dass in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird, und durch ein Verhältnis eines durch eine Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldrucks und eines in dem Gasvolumen herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt,
- wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird.
- a liquid holding area into which a liquid can be introduced,
- at least two fluid paths that fluidically connect the liquid holding area with downstream fluidic structures,
- wherein at least one first fluid path of the two fluid paths has a siphon channel, a siphon apex of the siphon channel lying radially inside a radially outermost position of the liquid holding area,
- The downstream fluidic structures are not vented or are only vented via a venting delay resistor when the liquid is introduced into the liquid holding area, so that an enclosed gas volume or a gas volume that is only vented via a venting delay resistor is created in the downstream fluidic structures if the liquid is introduced into the liquid holding area, and a ratio of a centrifugal pressure caused by a rotation of the fluidics module and a pneumatic pressure prevailing in the gas volume prevents the liquid from reaching the downstream fluidic structures through the fluid paths,
- whereby a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure can cause the liquid to at least partially pass through the first fluid path into the downstream fluidic structures and the gas volume is at least partially vented through the second fluid path of the two fluid paths into the liquid holding area.
Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass es auf einer zentrifugal mikrofluidischen Plattform möglich ist, unter Verwendung entsprechender Fluidikstrukturen auf eine Befüllung eines Flüssigkeits-Haltebereichs, die zentrifugal induziert sein kann, hin, einen pneumatischen Differenzdruck zum Umgebungsdruck in nachgeschalteten (nachfolgenden) Fluidikstrukturen, sowie den Verbindungsfluidpfaden zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachfolgenden Fluidikstrukturen, zu erzeugen, durch welchen die Flüssigkeit unter geeigneten Prozessierungsbedingungen in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten werden kann, bis durch eine geeignete Veränderung der Prozessierungsbedingungen induziert die Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen weitertransferiert werden kann. Während dieses Flüssigkeitstransfers in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen durch einen der Fluidpfade kann eine Entlüftung der nachgeschalteten Fluidikstrukturen durch den anderen der Fluidpfade stattfinden. Durch entsprechende Prozessierungsbedingungen, beispielsweise Rotationsgeschwindigkeit und/oder Temperatur, kann dabei das Verhältnis zwischen pneumatischem Druck und Zentrifugaldruck eingestellt bzw. verändert werden, um die beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen.Embodiments are based on the knowledge that it is possible on a centrifugal microfluidic platform, using appropriate fluidic structures to fill a liquid holding area, which can be centrifugally induced, a pneumatic differential pressure to the ambient pressure in downstream fluidic structures, as well as the To generate connecting fluid paths between the liquid holding area and subsequent fluidic structures, through which the liquid can be held in the liquid holding area under suitable processing conditions until the liquid can be further transferred into the subsequent fluidic structures induced by a suitable change in the processing conditions. During this liquid transfer into the downstream fluidic structures through one of the fluid paths, the downstream fluidic structures can be vented through the other of the fluid paths. The ratio between pneumatic pressure and centrifugal pressure can be set or changed by appropriate processing conditions, for example rotation speed and / or temperature, in order to achieve the functionalities described.
Ausführungsbeispiele basieren weiterhin auf der Erkenntnis, dass während eines z.B. zentrifugal induzierten Befüllvorgangs des Flüssigkeits-Haltebereichs Gas durch die Verbindungsfluidpfade zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen verdrängt werden kann, und dass weiterhin das verdrängte Gasvolumen, lediglich durch das Flüssigkeitsvolumen beschränkt, durch geeignete Ausgestaltung der Verbindungsfluidpfade beliebig gewählt werden kann, wodurch sich die Prozessierungsbedingungen, unter denen die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitshaltebereich gehalten wird, ebenso wie die Prozessierungsbedingungen, unter denen die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen weitergeschaltet wird, in weitem Rahmen und weitgehend unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften oder Kartuschenmaterialeigenschaften bestimmen lassen.Embodiments are also based on the knowledge that during a, for example, centrifugally induced filling process of the liquid holding area, gas can be displaced through the connecting fluid paths between the liquid holding area and the downstream fluidic structures into the downstream fluidic structures, and that the displaced gas volume continues only by the liquid volume limited, can be selected arbitrarily by suitable configuration of the connecting fluid paths, whereby the processing conditions under which the liquid is kept in the liquid holding area, as well as the processing conditions under which the liquid is switched on into the downstream fluidic structures, are broadly and largely independent of Have fluid properties or cartridge material properties determined.
Bei Ausführungsbeispielen ist die Flüssigkeit durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldruck über einen radial abfallenden Einlasskanal in eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs einbringbar. Dadurch kann durch die beim Einbringen der Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich verwendete Rotation das Verhältnis zwischen Zentrifugaldruck und pneumatischem Druck erreicht werden, durch das verhindert wird, dass Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt. Bei Ausführungsbeispielen kann der Einlasskanal ferner mit einer vorgeschalteten Fluidkammer verbunden sein.In embodiments, the liquid can be introduced into a fluid chamber of the liquid holding area via a radially sloping inlet channel by a centrifugal pressure brought about by a rotation of the fluidics module. As a result, the rotation used when introducing the liquid into the liquid holding area can achieve the ratio between centrifugal pressure and pneumatic pressure, which prevents liquid from reaching the downstream fluidic structures. In embodiments, the inlet channel can also be connected to an upstream fluid chamber.
Bei Ausführungsbeispielen ist ein zweiter Fluidpfad der beiden Fluidpfade ein Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, der von der Flüssigkeit verschlossen ist, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht ist. Somit ist es möglich, gleichzeitig mit dem Einbringen eines Flüssigkeitsvolumens in den Flüssigkeitshaltebereich einen Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verschließen, so dass keine separaten Mittel hierfür erforderlich sind.In embodiments, a second fluid path of the two fluid paths is a ventilation channel for the downstream fluidic structures, which is closed by the liquid when the liquid is introduced into the liquid holding area. It is thus possible, at the same time as the introduction of a volume of liquid into the liquid holding area, to close a ventilation channel for the downstream fluidic structures, so that no separate means are required for this.
Bei Ausführungsbeispielen mündet der erste Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich oder an einem radial äußeren Ende in den Flüssigkeits-Haltebereich, so dass der Flüssigkeits-Haltebereich zumindest bis zu dem Bereich, in dem der erste Fluidpfad in den Flüssigkeits-Haltebereich mündet, über den ersten Fluidpfad entleerbar ist. Dadurch ist es möglich, einen großen Teil der Flüssigkeit oder die gesamte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich zu entleeren.In embodiments, the first fluid path opens into the liquid holding area in a radially outer area or at a radially outer end, so that the liquid holding area at least up to the area in which the first fluid path opens into the liquid holding area, via the first Fluid path is drainable. This makes it possible to empty a large part of the liquid or all of the liquid from the liquid holding area.
Bei Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer auf, wobei der erste Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer oder an einem radial äußeren Ende der ersten Fluidkammer in die erste Fluidkammer mündet. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die erste Fluidkammer nicht entlüftet sein oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet sein, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird (ist), so dass ein in die erste Fluidkammer und die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird (ist).In exemplary embodiments, the liquid holding area has a first fluid chamber, the first fluid path opening into the first fluid chamber in a radially outer area of the first fluid chamber or at a radially outer end of the first fluid chamber. In such exemplary embodiments, the first fluid chamber can not be vented or can only be vented via a venting delay resistor when the liquid is (is) introduced into the liquid holding area, so that a gas volume enclosed in the first fluid chamber and the downstream fluidic structures or only a The volume of gas vented via a venting delay resistor arises when the liquid is (is) introduced into the liquid holding area.
Bei Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer und eine zweite Fluidkammer auf, in die durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldruck eine Flüssigkeit einbringbar ist, wobei der erste Fluidpfad in die erste Fluidkammer und der zweite Fluidpfad in die zweite Fluidkammer mündet, und wobei der zweite Fluidpfad durch eine in die zweite Fluidkammer eingebrachte Flüssigkeit verschließbar ist. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer über einen Verbindungskanal fluidisch miteinander verbunden sein, dessen Mündung in die erste Fluidkammer radial weiter innen liegt als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer, so dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer überläuft, wenn der Füllstand der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer die Mündung erreicht, und den in die zweite Fluidkammer mündenden zweiten Fluidpfad verschließt. Solche Ausführungsbeispiele können ermöglichen, dass zunächst Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer gehalten wird und erst durch Zugabe weiterer Flüssigkeit, bei der es sich um eine von der ersten Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeit handeln kann, in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen geschaltet wird.In exemplary embodiments, the liquid holding area has a first fluid chamber and a second fluid chamber into which a liquid can be introduced by a centrifugal pressure caused by a rotation of the fluidics module, the first fluid path opening into the first fluid chamber and the second fluid path opening into the second fluid chamber, and wherein the second fluid path can be closed by a liquid introduced into the second fluid chamber. In such embodiments, the first fluid chamber and the second fluid chamber can be fluidically connected to one another via a connecting channel, the opening of which into the first fluid chamber lies radially further inward than a radially outer end of the first fluid chamber, so that liquid overflows from the first fluid chamber into the second fluid chamber when the fill level of the liquid in the first fluid chamber reaches the mouth and closes the second fluid path opening into the second fluid chamber. Such exemplary embodiments can make it possible that liquid is initially held in the first fluid chamber and is only switched into the downstream fluidic structures by adding further liquid, which can be a liquid different from the first liquid.
Bei Ausführungsbeispielen weist der zweite Fluidpfad einen Siphonkanal auf. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Flüssigkeits-Haltebereich sowie eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Prozessierungsbedingungen, da dadurch verhindert werden kann, dass Flüssigkeit über den zweiten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt. Beispielsweise kann bei solchen Ausführungsbeispielen der zweite Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich des Flüssigkeits-Haltebereichs in den Flüssigkeits-Haltebereich münden. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann ein Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads radial weiter innen liegen als ein Scheitelpunkt des Siphonkanals des ersten Fluidpfads.In embodiments, the second fluid path has a siphon channel. This enables increased flexibility with regard to the opening of the second fluid path into the liquid holding area and increased flexibility with regard to the processing conditions, since it can prevent liquid from reaching the downstream fluidic structures via the second fluid path. For example, in such exemplary embodiments, the second fluid path can open into the liquid holding area in a radially outer area of the liquid holding area. In such exemplary embodiments, an apex of the siphon channel of the second fluid path can lie radially further inward than an apex of the siphon channel of the first fluid path.
Bei Ausführungsbeispielen weist der zweite Fluidpfad einen Siphonkanal auf und eine Fluidzwischenkammer ist in dem zweiten Fluidpfad zwischen dem Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads und der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Flüssigkeits-Haltebereich angeordnet, wobei die Fluidzwischenkammer zumindest teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt wird, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird. Die Fluidzwischenkammer kann ein kleineres Volumen aufweisen als eine erste Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs. Bei Ausführungsbeispielen befindet sich ein radial äußeres Ende der Fluidzwischenkammer radial außerhalb des Siphonscheitels des ersten Fluidpfads. Die erste Fluidzwischenkammer ermöglicht, dass eine größere Menge von Flüssigkeit in den zweiten Fluidpfad gelangt, bevor ihr Meniskus den Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads erreicht.In embodiments, the second fluid path has a siphon channel and an intermediate fluid chamber is arranged in the second fluid path between the apex of the siphon channel of the second fluid path and the mouth of the second fluid path in the liquid holding area, wherein the fluid intermediate chamber is at least partially filled with the liquid when the liquid is introduced into the liquid holding area. The intermediate fluid chamber can have a smaller volume than a first fluid chamber of the liquid holding area. In embodiments, a radially outer end of the intermediate fluid chamber is located radially outside of the siphon apex of the first fluid path. The first intermediate fluid chamber enables a larger amount of liquid to enter the second fluid path before its meniscus reaches the apex of the siphon channel of the second fluid path.
Bei Ausführungsbeispielen weisen die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine nachgeschaltete Fluidkammer auf, in die der erste Fluidpfad und der zweite Fluidpfad münden. Alternativ können der erste und der zweite Fluidpfad auch in verschiedene Kammern der nachgeschalteten Fluidikstrukturen münden, solange gewährleistet ist, dass während der Fluidhaltephase eine Druckausgleich zwischen den Mündungen des ersten und des zweiten Fluidpfads in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen besteht. Somit ist es möglich die geschaltete Flüssigkeit in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu sammeln. Der erste Fluidpfad kann radial weiter außen in die nachgeschaltete Fluidkammer münden als der zweite Fluidpfad. Dies ermöglicht, dass die Mündung des zweiten Fluidpfads in die nachgeschaltete Fluidkammer für eine Entlüftung frei bleibt, wenn die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt bzw. transferiert wird. Die nachgeschaltete Fluidkammer kann eine erste nachgeschaltete Fluidkammer sein, wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer aufweisen können, die über zumindest einen dritten Fluidpfad mit der ersten nachgeschalteten Fluidkammer fluidisch verbunden ist. Somit ist es möglich Fluidikstrukturen zu implementieren, die ein kaskadiertes Schalten ermöglichen.In exemplary embodiments, the downstream fluidic structures have at least one downstream fluid chamber into which the first fluid path and the second fluid path open. Alternatively, the first and second fluid paths can also open into different chambers of the downstream fluidic structures, as long as it is ensured that there is pressure equalization between the mouths of the first and second fluid paths into the downstream fluidic structures during the fluid holding phase. It is thus possible to collect the switched liquid in the downstream fluidic structures. The first fluid path can open into the downstream fluid chamber radially further outward than the second fluid path. This enables the opening of the second fluid path into the downstream fluid chamber to remain free for venting when the liquid reaches or is transferred into the downstream fluidic structures. The downstream fluid chamber can be a first downstream fluid chamber, wherein the downstream fluidic structures can have a second downstream fluid chamber which is fluidically connected to the first downstream fluid chamber via at least one third fluid path. It is thus possible to implement fluidic structures that enable cascaded switching.
Bei Ausführungsbeispielen können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine erste nachgeschaltete Fluidkammer und eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer aufweisen, wobei die erste nachgeschaltete Fluidkammer über einen dritten Fluidpfad und einen vierten Fluidpfad mit der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer fluidisch verbunden ist, wobei zumindest der dritte Fluidpfad einen Siphonkanal aufweist, wobei der dritte Fluidpfad und der vierte Fluidpfad durch die Flüssigkeit verschlossen werden, wenn die Flüssigkeit durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck durch den ersten Fluidpfad in die erste nachgeschaltete Fluidkammer der nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt, wodurch in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht und durch ein Verhältnis des Zentrifugaldrucks und des in dem Gasvolumen in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade (insbesondere den dritten und vierten Fluidpfad) in die zweite nachgeschaltete Fluidkammer gelangt, und wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit durch den dritten Fluidpfad in die zweite nachgeschaltete Fluidikkammer gelangt und das Gasvolumen aus der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer durch den vierten Fluidpfad zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird. Somit ist es möglich, Fluidikstrukturen zu implementieren, die ein kaskadiertes Schalten ermöglichen.In exemplary embodiments, the downstream fluidic structures can have a first downstream fluid chamber and a second downstream fluid chamber, the first downstream fluid chamber being fluidically connected to the second downstream fluid chamber via a third fluid path and a fourth fluid path, with at least the third fluid path having a siphon channel, the The third fluid path and the fourth fluid path are closed by the liquid when the liquid is caused by a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure Pressure passes through the first fluid path into the first downstream fluid chamber of the downstream fluidic structures, whereby in the second downstream fluid chamber an enclosed gas volume or a gas volume that is only vented via a venting delay resistor is created and through a ratio of the centrifugal pressure and that in the gas volume downstream in the second The pneumatic pressure prevailing in the fluid chamber prevents the liquid from passing through the fluid paths (in particular the third and fourth fluid paths) into the second downstream fluid chamber, and a change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in the second downstream fluid chamber is effected can that the liquid passes through the third fluid path into the second downstream fluidic chamber and the gas volume from the second downstream fluid chamber through the fourth fluid path at least partially wisely vented into the fluid holding area. It is thus possible to implement fluidic structures that enable cascaded switching.
Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen mit einem Fluidikmodul wie es hierin beschrieben ist, die eine Antriebseinrichtung, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul mit einer Rotation zu beaufschlagen, und einer Betätigungseinrichtung, die ausgelegt ist, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken, aufweist. Bei Ausführungsbeispielen ist die Betätigungseinrichtung ausgelegt, um die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls zu erhöhen oder zu verringern, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken. Bei Ausführungsbeispielen ist die Betätigungseinrichtung ausgelegt, um den pneumatischen Druck in den nachgeschalteten Fluidikstukturen durch eine Verringerung der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder durch eine Vergrößerung des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verringern.Embodiments provide a device for switching liquid from a liquid holding area into downstream fluidic structures with a fluidic module as described herein, which has a drive device that is designed to subject the fluidic module to rotation, and an actuating device that is designed to to effect the change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure. In exemplary embodiments, the actuating device is designed to increase or decrease the rotational speed of the fluidics module in order to bring about the change in the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure. In embodiments, the actuating device is designed to reduce the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures by reducing the temperature in the downstream fluidic structures and / or by increasing the volume of the downstream fluidic structures and / or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen unter Verwendung eines Fluidikmoduls wie es hierin beschrieben ist, mit folgenden Merkmalen:
Einbringen zumindest einer Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich und Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich durch Rotieren des Fluidikmoduls, so dass die Flüssigkeit in einem durch den Zentrifugaldruck und den pneumatischen Druck dominierten quasi-stationären Gleichgewicht in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten wird; und
Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck, um die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu transferieren und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich zu entlüften.Embodiments create a method for switching liquid from a liquid holding area into downstream fluidic structures using a fluidic module as described herein, having the following features:
Introducing at least one liquid into the liquid holding area and holding the liquid in the liquid holding area by rotating the fluidics module, so that the liquid is dominated by the centrifugal pressure and the pneumatic pressure quasi-steady-state equilibrium is maintained in the liquid holding area; and
Changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in order to transfer the liquid at least partially through the first fluid path into the downstream fluidic structures and to vent the gas volume through the second fluid path of the two fluid paths at least partially into the liquid holding area.
Bei Ausführungsbeispielen weist das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich das Erzeugen eines pneumatischen Überdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers auf. Bei Ausführungsbeispielen weist das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls, eine Vergrößerung der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks auf. Bei Ausführungsbeispielen weist das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich ein Erzeugen eines Unterdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen auf, um Menisken in dem Flüssigkeits-Haltebereich und dem ersten und zweiten Fluidpfad einzustellen und zu halten, ohne die Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu transferieren, wobei das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck eine Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder ein Erhöhen der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit im Flüssigkeits-Haltebereich aufweist.In exemplary embodiments, holding the liquid in the liquid holding area includes generating a pneumatic overpressure in the downstream fluidic structures before the transfer is initiated. In exemplary embodiments, changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure includes an increase in the rotational speed of the fluidics module, an increase in the hydrostatic height of the liquid and / or a decrease in the pneumatic pressure. In exemplary embodiments, the holding of the liquid in the liquid holding area comprises generating a negative pressure in the downstream fluidic structures in order to set and hold menisci in the liquid holding area and the first and second fluid paths without the liquid through the first fluid path into the downstream ones To transfer fluidic structures, wherein the changing of the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure comprises a decrease in the rotational speed of the fluidic module and / or a decrease in the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures and / or an increase in the hydrostatic height of the liquid in the liquid holding area.
Bei Ausführungsbeispielen weist das Ändern des Verhältnisses ein Verringern des pneumatischen Drucks durch ein Verringern der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen, ein Vergrößern des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder ein Verringern der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen auf. Bei Ausführungsbeispielen wird während des Transferierens der Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad der zweite Fluidpfad nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt. Bei Ausführungsbeispielen wird die Stoffmenge des Gases in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen nicht verändert, während die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten wird.In embodiments, changing the ratio includes reducing the pneumatic pressure by reducing the temperature in the downstream fluidic structures, increasing the volume of the downstream fluidic structures and / or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures. In exemplary embodiments, the second fluid path is not completely filled with liquid during the transfer of the liquid through the first fluid path. In embodiments, the amount of substance of the gas in the downstream fluidic structures is not changed while the liquid is held in the liquid holding area.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel zum überdruckbasierten Schalten;
- Fig. 2A bis 2E
- schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von
Fig. 1 ; - Fig. 3A bis 3D
- schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine Flüssigkeitsaufnahmekammer und eine weitere Kammer aufweisen;
- Fig. 4A bis 4D
- schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Fluidzwischenkammer in einem Fluidpfad zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschalteten Fluidikstrukturen angeordnet ist;
- Fig. 5A bis 5D
- schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit geänderten Anschlusspositionen der Fluidpfade;
- Fig. 6
- eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit kaskadierten Strukturen;
- Fig. 7A bis 7E
- schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von
Fig. 6 ; - Fig. 8A bis 8E
- schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel zum unterdruckbasierten Schalten;
- Fig. 9
- eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit eine Flüssigkeits-Haltebereich, der zwei Fluidkammern aufweist;
- Fig. 10A bis 10D
- schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von
Fig. 9 ; - Fig. 11A bis 11E
- schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von
Fig. 9 bei Verwendung von zwei Flüssigkeiten; - Fig. 12A und 12B
- schematische Seitenansichten zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen zum Schalten von Flüssigkeiten; und
- Fig. 13A und 13B
- schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von Fluidikmodulen.
- Fig. 1
- a schematic representation of fluidic structures according to an embodiment for overpressure-based switching;
- Figures 2A through 2E
- schematic representations to explain the mode of operation of the exemplary embodiment from FIG
Fig. 1 ; - Figures 3A to 3D
- schematic representations of fluidic structures according to an exemplary embodiment in which the downstream fluidic structures have a liquid receiving chamber and a further chamber;
- Figures 4A to 4D
- schematic representations of fluidic structures according to an exemplary embodiment, in which an intermediate fluid chamber is arranged in a fluid path between the liquid holding area and downstream fluidic structures;
- Figures 5A to 5D
- schematic representations of fluidic structures according to an exemplary embodiment with changed connection positions of the fluid paths;
- Fig. 6
- a schematic representation of fluidic structures according to an embodiment with cascaded structures;
- Figures 7A through 7E
- schematic representations to explain the mode of operation of the exemplary embodiment from FIG
Fig. 6 ; - Figures 8A through 8E
- schematic representations of fluidic structures according to an embodiment for vacuum-based switching;
- Fig. 9
- a schematic representation of fluidic structures according to an embodiment with a liquid holding area that has two fluid chambers;
- Figures 10A to 10D
- schematic representations to explain the mode of operation of the exemplary embodiment from FIG
Fig. 9 ; - Figures 11A to 11E
- schematic representations to explain the mode of operation of the exemplary embodiment from FIG
Fig. 9 when using two liquids; - Figures 12A and 12B
- schematic side views to explain exemplary embodiments of devices for switching liquids; and
- Figures 13A and 13B
- schematic top views of exemplary embodiments of fluidics modules.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Mikrofluidikstrukturen für ein zentrifugo-pneumatisches Schalten und Verfahren zum zentrifugo-pneumatischen Schalten, insbesondere zum zentrifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüssigkeits-Haltebereich, der eine erste Kammer aufweisen kann, in nachfolgende bzw. nachgeschaltete Fluidikstrukturen. Unter nachgeschalteten bzw. nachfolgenden (wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet sind) Fluidikstrukturen werden dabei hierin Fluidikstukturen, wie z.B. Känale oder Kammern, verstanden, in die Flüssigkeit während einer Handhabung derselben aus vorhergehenden bzw. vorgeschalteten (wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet sind) Fluidikstrukturen gelangt. Die Mikrofluidikstrukturen können dabei eine erste Kammer aufweisen, die mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen über mindestens zwei Fluidpfade verbunden ist, wobei mindestens der Fluidpfad, durch den die Flüssigkeit beim Schalten in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird, siphonförmig ausgestaltet ist. Die Strukturen und das Verfahren können derart gestaltet sein, dass die maßgeblichen Drücke in Richtung bzw. entgegen der Befüllung des Pfads für den Flüssigkeitstransfer durch Zentrifugaldrücke bzw. pneumatische Drücke gegeben sind. Ein Schalten, bei dem Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke andere Drücke dominieren, kann als zentrifugo-pneumatisches Schalten bezeichnet werden.Embodiments relate to microfluidic structures for centrifugal-pneumatic switching and methods for centrifugal-pneumatic switching, in particular for centrifugal-pneumatic switching of liquids from a liquid holding area, which can have a first chamber, into subsequent or downstream fluidic structures. Subsequent or subsequent (these terms are used interchangeably herein) fluidic structures are understood here to mean fluidic structures, such as channels or chambers, into which the liquid during handling of the same from preceding or upstream (these terms are used interchangeably herein) fluidic structures got. The microfluidic structures can have a first chamber that is connected to the subsequent fluidic structures via at least two fluid paths, at least the fluid path through which the liquid is transferred when switching into the subsequent fluidic structures is designed in the shape of a siphon. The structures and the method can be designed in such a way that the relevant pressures are given in the direction of or against the filling of the path for the liquid transfer by centrifugal pressures or pneumatic pressures. Switching in which centrifugal pressures and pneumatic pressures dominate other pressures can be referred to as centrifugo-pneumatic switching.
Bei Ausführungsbeispielen können pneumatische Überdrücke und/oder Unterdrücke verwendet werden.In exemplary embodiments, pneumatic positive pressures and / or negative pressures can be used.
Im Fall der Verwendung von Überdrücken wird bei der Befüllung der ersten Kammer mit einer Flüssigkeit Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt, wodurch in diesen ein pneumatischer Überdruck entsteht. Dieser pneumatische Überdruck kann durch geeignete Gestaltung in weiten Bereichen gewählt werden und bestimmt, bei ansonsten unveränderten Prozessierungsbedingungen, maßgeblich die für das Schalten der Flüssigkeit notwendige Rotationsfrequenz (Schaltfrequenz). Vor dem Schaltvorgang ist in diesem Fall der zentrifugal induzierte Druck in der ersten Kammer geringer als der notwendige Druck, um gegen den pneumatischen Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen den Scheitel des siphonförmigen Kanals zu benetzen, durch welchen die Flüssigkeit beim Schaltvorgang in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird. Dies stellt einen (quasistatischen) Gleichgewichtszustand dar. Durch Erhöhung der Rotationsfrequenz der Kartusche über die Schaltfrequenz kann der Zentrifugaldruck über den Schaltdruck erhöht werden, wodurch der Siphon benetzt und der Transfer der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen initiiert wird. Alternativ oder in Kombination kann auch die hydrostatische Höhe der Flüssigkeit vergrößert werden, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren, beispielsweise indem zusätzliche Flüssigkeit über vorgeschaltete Fluidikstrukturen in den Flüssigkeits-Haltebereich zugegeben wird.If excess pressures are used, when the first chamber is filled with a liquid, gas is displaced into the subsequent fluidic structures, as a result of which a pneumatic excess pressure is created in them. This pneumatic overpressure can be selected over a wide range by suitable design and, with otherwise unchanged processing conditions, it is decisive for the switching of the liquid necessary rotation frequency (switching frequency). In this case, before the switching process, the centrifugally induced pressure in the first chamber is lower than the pressure necessary to wet the apex of the siphon-shaped channel against the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures, through which the liquid is transferred into the subsequent fluidic structures during the switching process . This represents a (quasi-static) state of equilibrium. By increasing the rotation frequency of the cartridge above the switching frequency, the centrifugal pressure can be increased via the switching pressure, whereby the siphon is wetted and the transfer of the liquid into the subsequent fluidic structures is initiated. Alternatively or in combination, the hydrostatic height of the liquid can also be increased in order to initiate the liquid transfer, for example by adding additional liquid to the liquid holding area via upstream fluidic structures.
Im Fall der Verwendung von Unterdruck für das Schaltprinzip können bei Ausführungsbeispielen zunächst die nachfolgenden Fluidikstrukturen erwärmt werden, so dass sich ein in ihnen enthaltenes Gas ausdehnt und ein Teil dieses Gases entweichen kann. Wenn in der Folge Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich transferiert wird und die Rotationsfrequenz erhöht wird, kann die Flüssigkeit in den Fluid-Verbindungspfaden auf circa derselben radialen Höhe stehen wie in dem Flüssigkeits-Haltebereich. Bei Verringerung der Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ergibt sich ein Unterdruck der in Richtung zu den nachfolgenden Fluidikstrukturen wirkt. Da die Verbindungspfade siphonförmig ausgestaltet sind, erhöht sich dadurch jedoch die hydrostatische Höhe in den Verbindungspfaden, so dass die Zentrifugalkraft in diesem Fall einer weiteren Befüllung der Verbindungspfade entgegenwirkt. Dies ist der (quasistatische) Gleichgewichtszustand unter Unterdruckbedingungen. Durch weitere Erhöhung des Unterdrucks und/oder durch Verringerung des Zentrifugaldrucks kann dann ein Schaltprozess initiiert werden.In the case of the use of negative pressure for the switching principle, the following fluidic structures can first be heated in exemplary embodiments, so that a gas contained in them expands and a part of this gas can escape. If, as a result, liquid is transferred into the liquid holding area and the frequency of rotation is increased, the liquid in the fluid connection paths can be at approximately the same radial height as in the liquid holding area. When the temperature is reduced in the subsequent fluidic structures, a negative pressure results which acts in the direction of the subsequent fluidic structures. Since the connecting paths are designed in the shape of a siphon, this increases the hydrostatic height in the connecting paths, so that in this case the centrifugal force counteracts any further filling of the connecting paths. This is the (quasi-static) state of equilibrium under negative pressure conditions. A switching process can then be initiated by further increasing the negative pressure and / or by reducing the centrifugal pressure.
Ausführungsbeispiele stellen Verfahren zum Zurückhalten von Flüssigkeiten und Auslösen des Schaltvorgangs durch andere Veränderungen der Prozessierungsbedingungen zusammen mit den damit verbundenen Strukturen dar. Allen Strukturen und Verfahren ist gemeinsam, dass während des Transfers die zweite Fluidverbindung zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschalteten Fluidikstrukturen genutzt werden kann, um Gas aus den nachgeschalteten Fluidikstrukturen in den Flüssigkeits-Haltebereich bzw. eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs entweichen zu lassen oder zuströmen zu lassen, wodurch sich die pneumatische Druckdifferenz zu den nachgeschalteten Fluidikstrukturen abbauen lässt.Embodiments represent methods for holding back liquids and triggering the switching process through other changes in the processing conditions together with the associated structures. All structures and methods have in common that during the transfer the second fluid connection between the liquid holding area and downstream fluidic structures can be used to To allow gas to escape from the downstream fluidic structures into the liquid holding area or a fluid chamber of the liquid holding area or to allow it to flow in, whereby the pneumatic pressure difference to the downstream fluidic structures can be reduced.
Im Folgenden werden einige Definitionen für hierin verwendete Bezeichnungen angegeben.Some definitions of terms used herein are given below.
Unter hydrostatischer Höhe ist die radiale Distanz zwischen zwei Punkten in einer zentrifugalen Kartusche, falls sich an beiden Punkten Flüssigkeit einer zusammenhängenden Flüssigkeitsmenge befindet, zu verstehen. Unter hydrostatischem Druck ist die durch Zentrifugalkraft induzierte Druckdifferenz zwischen zwei Punkten aufgrund der zwischen ihnen liegenden hydrostatischen Höhe zu verstehen. Der effektive fluidische Widerstand einer mikrofluidischen Struktur ist der Quotient aus dem Druck, der ein Fluid durch eine mikrofluidische Struktur treibt, und daraus resultierendem Flüssigkeitsstrom durch die mikrofluidische Struktur zu verstehen. Unter Aliquotieren ist das Aufteilen eines Flüssigkeitsvolumens in mehrere getrennte Einzelvolumina, sogenannte Aliquots, zu verstehen.The hydrostatic height is to be understood as the radial distance between two points in a centrifugal cartridge if there is a coherent amount of liquid at both points. Under hydrostatic pressure is to be understood the pressure difference induced by centrifugal force between two points due to the hydrostatic height between them. The effective fluidic resistance of a microfluidic structure is to be understood as the quotient of the pressure that drives a fluid through a microfluidic structure and the resulting liquid flow through the microfluidic structure. Aliquoting means dividing a volume of liquid into several separate individual volumes, so-called aliquots.
Unter Metering ist das Abmessen eines definierten Flüssigkeitsvolumens aus einem größeren Flüssigkeitsvolumen zu verstehen. Unter Schaltfrequenz ist die Rotationsfrequenz einer mikrofluidischen Kartusche zu verstehen, bei deren Überschreitung ein Transferprozess einer Flüssigkeit von einer ersten Struktur in eine zweite Struktur beginnt. Unter einem Siphonkanal ist ein Mikrofluidikkanal oder ein Abschnitt eines Mikrofluidikkanals in einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche zu verstehen, bei dem Eingang und Ausgang des Kanals einen größeren Abstand vom Drehzentrum aufweisen als ein Zwischenbereich des Kanals. Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich eines Siphonkanals in einer mikrofluidischen Kartusche mit minimalem Abstand vom Drehzentrum zu verstehen.Metering is the measurement of a defined volume of liquid from a larger volume of liquid. Switching frequency is to be understood as the rotation frequency of a microfluidic cartridge which, when exceeded, starts a transfer process of a liquid from a first structure to a second structure. A siphon channel is understood to mean a microfluidic channel or a section of a microfluidic channel in a centrifugal microfluidic cartridge, in which the inlet and outlet of the channel are at a greater distance from the center of rotation than an intermediate region of the channel. A siphon apex is to be understood as the area of a siphon channel in a microfluidic cartridge with a minimal distance from the center of rotation.
Unter einem Entlüftungs-Verzögerungswiderstand ist der fluidische Widerstand zu verstehen, durch den eine Fluidikstruktur, in der ein pneumatischer Differenzdruck zum Umgebungsdruck herrscht, entlüftet wird. Der fluidische Widerstand ist dabei mindestens so hoch, dass die Verringerung des Differenzdrucks auf dessen Hälfte unter alleiniger Berücksichtigung der Entlüftung durch den fluidischen Widerstand mindestens 0,5 s dauert. Dies trifft auf jeden Zeitpunkt während der Entlüftung zu.A venting delay resistor is to be understood as the fluidic resistance through which a fluidic structure in which there is a pneumatic differential pressure to the ambient pressure is vented. The fluidic resistance is at least so high that the reduction in the differential pressure by half, taking into account the ventilation through the fluidic resistance, takes at least 0.5 s. This applies at any point during the venting.
Wenn bei Ausführungsbeispielen ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen vorgesehen ist, lässt sich der zeitliche Verlauf des Druckabfalls in diesen Fluidikstrukturen beispielsweise bestimmen, indem der Flüssigkeits-Haltebereich bei konstanter Temperatur unter Zentrifugation mit Flüssigkeit gefüllt wird und die hydrostatische Höhe zwischen einer vorgeschalteten Kammer und einer Fluidkammer, in der die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltestrukturen gehalten wird, im quasistationären Gleichgewicht durch ein geeignetes Kamerasystem (z.B. mit Stroboskopbelichtung) aufgenommen wird. Aus der Rotationsfrequenz und der hydrostatischen Höhe ergibt sich der in den nachfolgenden Strukturen bestehende pneumatische Überdruck. Daher lässt sich auch die Abbaurate des Überdrucks aus diesen Bildinformationen bestimmen, woraus sich die Größe des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands ergibt. Bei anderen Ausführungsbeispielen, wie z.B. einem Schalten bei Unterdruck, lässt sich das Verfahren analog verwenden, indem Flüssigkeit bei einer bestimmten Frequenz und Starttemperatur eingefüllt wird und danach eine definierte schnelle Abkühlung erzeugt wird. Aus der sich entwickelnden hydrostatischen Höhe in den Verbindungspfaden und deren Abbaugeschwindigkeit ergibt sich wiederum die Größe des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands.If, in exemplary embodiments, a venting delay resistor is provided for the downstream fluidic structures, the time profile of the pressure drop in these fluidic structures can be determined, for example, by filling the liquid holding area with liquid at a constant temperature under centrifugation and the hydrostatic height between an upstream chamber and a fluid chamber, in which the liquid is held in the liquid-holding structures, is recorded in quasi-stationary equilibrium by a suitable camera system (eg with stroboscopic exposure). The pneumatic overpressure in the following structures results from the rotation frequency and the hydrostatic height. The rate of reduction of the overpressure can therefore also be determined from this image information, from which the size of the venting delay resistor results. In other exemplary embodiments, such as switching at negative pressure, the method can be used analogously, in that liquid is filled in at a specific frequency and starting temperature and then a defined rapid cooling is generated. The size of the venting delay resistance results from the developing hydrostatic height in the connecting paths and their degradation rate.
Alle Flüssigkeiten, die sich in einem quasi-statischen Fluidzustand befinden, verändern ihre Position innerhalb der Kartusche, in der sie sich befinden, in direkter Abhängigkeit von den Prozessierungsbedingungen. D.h. alle Fluidtransportprozesse zwischen Fluidikstrukturen die bei konstanten Prozessierungsbedingungen ablaufen, sind abgeschlossen. Weiterhin nehmen Flüssigkeitstransportprozesse die eine Folge von Veränderungen von Prozessierungsbedingungen sind, jederzeit während der Veränderung der Prozessierungsbedingungen innerhalb von höchstens 1s auf deren jeweilige Hälfte ab, sobald die Veränderung der Prozessierungsbedingungen abrupt gestoppt werden.All liquids that are in a quasi-static fluid state change their position within the cartridge in which they are located, as a direct function of the processing conditions. This means that all fluid transport processes between fluidic structures that take place under constant processing conditions are completed. Furthermore, liquid transport processes that are a consequence of changes in processing conditions decrease at any time during the change in processing conditions to their respective half within a maximum of 1s as soon as the change in processing conditions is abruptly stopped.
Unter einem Flüssigkeitsführungspfad ist eine Mikrofluidikstruktur zu verstehen, durch die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in eine oder mehrere nachfolgende Fluidikstrukturen fließt. Unter einem Gasführungspfad ist eine Mikrofluidikstruktur zu verstehen, durch die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gasaustausch zwischen den nachfolgenden Fluidikstrukturen und dem Flüssigkeits-Haltebereich stattfindet. Unter einem Flüssigkeitsaufnahmevolumen ist eine Mikrofluidikstruktur zu verstehen, die ein Volumen bereitstellt, in das Flüssigkeit nach Auslösung des erfindungsgemäßen Schaltvorgangs transferiert wird.A liquid guide path is understood to mean a microfluidic structure through which liquid flows from the liquid holding area into one or more subsequent fluidic structures while the method according to the invention is being carried out. A gas routing path is to be understood as a microfluidic structure through which a gas exchange takes place between the subsequent fluidic structures and the liquid holding area while the method according to the invention is being carried out. A liquid absorption volume is to be understood as a microfluidic structure which provides a volume into which liquid is transferred after the switching process according to the invention has been triggered.
Unter einer mikrofluidischen Kartusche ist hierin eine Vorrichtung, wie z.B. ein Fluidikmodul, zu verstehen, die Mikrofluidikstrukturen aufweist, die ein Flüssigkeitshandhabung, wie sie hierin beschrieben ist, ermöglichen. Unter einer zentrifugalen mikrofluidischen Kartusche ist eine entsprechende Kartusche zu verstehen, die einer Rotation unterworfen werden kann, beispielsweise in Form eines in einen Rotationskörper einsetzbaren Fluidikmoduls oder eines Rotationskörpers.A microfluidic cartridge is to be understood here as a device, such as a fluidic module, for example, which has microfluidic structures that enable liquid handling as described herein. A centrifugal microfluidic cartridge is to be understood as meaning a corresponding cartridge that is subjected to rotation can, for example, in the form of a fluidics module that can be inserted into a body of revolution or a body of revolution.
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 bei der Durchströmung der Kammer ein im Vergleich zu verbundenen Kanälen vernachlässigbarer Strömungswiderstand auftritt, der beispielsweise 1/100 oder 1/1000 des Strömungswiderstands der an die Kammer angeschlossenen Kanalstruktur mit kleinstem Strömungswiderstand betragen kann.When a fluid channel is referred to herein, a structure is meant whose length dimension from a fluid inlet to a fluid outlet is greater, for example more than 5 times or more than 10 times greater than the dimension or dimensions that define the flow cross section or define. Thus, a fluid channel has a flow resistance for flowing through it from the fluid inlet to the fluid outlet. In contrast, a fluid chamber is a chamber with such dimensions that the flow through the chamber results in a negligible flow resistance compared to connected channels, which can be, for example, 1/100 or 1/1000 of the flow resistance of the channel structure connected to the chamber with the lowest flow resistance .
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.Before exemplary embodiments of the invention are explained in more detail, it should first be pointed out that examples of the invention can be used in particular in the field of centrifugal microfluidics, which involves the processing of liquids in the picoliter to milliliter range. Correspondingly, the fluidic structures can have suitable dimensions in the micrometer range for handling corresponding liquid volumes. In particular, embodiments of the invention can be used on centrifugal microfluidic systems, such as are known, for example, under the designation “lab-on-a-disk”.
Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper 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.If the term radial is used herein, it is meant in each case radially with respect to the center of rotation about which the fluidics module or the rotating body can be rotated. In the centrifugal field, a radial direction is thus radially sloping away from the center of rotation and a radial direction towards the center of rotation is rising radially. A fluid channel whose start is closer to the center of rotation than its end is therefore radially sloping, while a fluid channel whose start is further away from the center of rotation than its end rises radially. A channel that has a radially rising section thus has directional components that rise radially or run radially inward. 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 in a curved manner.
Bezug nehmend auf die
Der Rotationskörper 10 weist die hierein beschriebenen Fluidikstrukturen auf. Entsprechende Fluidikstrukturen sind in
Bei einem alternativen in
In den
Bei Ausführungsbeispielen können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die Fluidikstrukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethac-rylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden.In exemplary embodiments, the fluidic module or the rotary body, which has the fluidic structures, can be formed from any suitable material, for example a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinyl chloride) or PDMS ( Polydimethylsiloxane), glass or the like. The rotating
Wie nachfolgend erläutert wird, stellt die Steuereinrichtung 24 bei Ausführungsbeispielen eine Betätigungseinrichtung dar, die die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung einstellen kann, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren, d.h. die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu bewirken, durch die das Schalten der Flüssigkeit bewirkt wird. Bei Ausführungsbeispielen kann die Betätigungseinrichtung zusätzlich eine oder mehrere Heizeinrichtungen und/oder Kühleinrichtungen aufweisen, um die Temperatur der Fluidikstrukturen zu steuern, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren. Beispielsweise können ein oder mehrere Temperatursteuerelemente 40 (Heizelement und/oder Kühlelement) in den Rotationskörper integriert sein, wie in den
Bezugnehmend auf die
Das Fluidikmodul 50 weist ferner nachfolgende Fluidikstrukturen, die eine Fluidkammer 58 als Fluidaufnahmevolumen aufweisen, und zwei Fluidpfade 60, 62 auf, welche die erste Kammer 52 mit der Fluidkammer 58 fluidisch verbinden. Der Fluidpfad 62 weist einen Siphonkanal auf, dessen Siphonscheitel 64 radial innerhalb der radial äußersten Position der ersten Kammer 52 liegt. Die nachfolgenden Fluidikstrukturen in Form der Fluidkammer 58 sind entweder nicht entlüftet, oder können über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 entlüftet sein, der der obigen Definition genügt. Ein solcher Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 kann optional bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, ohne dass es jeweils einer separaten Erwähnung bedarf.The
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der erste Fluidpfad 60 zwischen der ersten Kammer 52 und der nachfolgenden Fuidikstruktur 58 aus einem Kanal, der von einem radial inneren Bereich der ersten Kammer 52, beispielsweise vom radial innersten Punkt 68 der ersten Kammer 52, zu einem radial inneren Bereich der nachfolgenden Fluidkammer 58, beispielsweise zum radial innersten Punkt 70 der nachfolgenden Fluidkammer 58, führt. Der zweite Fluidpfad 62 zwischen der ersten Kammer 52 und der nachfolgenden Fluidkammer 58 ist in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise am radial äußersten Punkt 72, der ersten Kammer 52 mit dieser verbunden und führt über den Siphonscheitel 64 zu einem radial äußeren Bereich, beispielsweise zum radial äußersten Punkt 74, der nachfolgenden Fluidkammer 58.In the exemplary embodiment shown, the first
Zwischen der jeweiligen Mündung der beide Fluidpfade 60 und 62 in die erste Fluidkammer 52 und der jeweiligen Mündung in die nachfolgende Fluidkammer 58 liegt ein radiales Gefälle vor.There is a radial gradient between the respective opening of the two
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen ein Einbringen zumindest einer Flüssigkeit in eine erste Kammer des Flüssigkeits-Haltebereichs. Dieses Einbringen kann durch einen zentrifugal induzierten Transfer einer Flüssigkeit in die erste Kammer 52 erfolgen. Im Anschluss kann eine zentrifugo-pneumatisch induzierte Zurückhaltung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich, beispielsweise der ersten Kammer 52, erfolgen. Im Anschluss kann ein Schalten der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise die nachfolgende Fluidkammer 58, erfolgen. Während des Schaltvorgangs wird durch mindestens einen Fluidpfad (z.B. Fluidpfad 62) mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitshaltebereich (z.B. erster Kammer 52) in die nachfolgenden Fluidikstrukturen (z.B. Fluidkammer 58) transferiert. Fluidpfade, durch die während des Schaltvorgangs Flüssigkeit transferiert wird, werden im Folgenden als Flüssigkeitsführungspfade bezeichnet. Durch mindestens einen weiteren Fluidpfad (z.B. Fluidpfad 62) zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich (z.B. erster Kammer 52) und den nachfolgenden Fluidstrukturen (z.B. Fluidkammer 58) kann während des Schaltvorgangs Gas (in der Regel Luft) aus den nachfolgenden Fluidstrukturen zurück in den Flüssigkeits-Haltebereich transferiert werden. Fluidpfade die dies erlauben, werden im Folgenden Gasführungspfade genannt.Embodiments of a method according to the invention include introducing at least one liquid into a first chamber of the liquid holding area. This introduction can take place by a centrifugally induced transfer of a liquid into the
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verfahrens anhand des Betriebs des in
In einem ersten Zustand, der in
Wie in
Der sich aufbauende pneumatische Überdruck Δp in der ersten Kammer 52 und den nachfolgenden Fluidstrukturen 58 wirkt der weiteren zentrifugal induzierten Befüllung der ersten Kammer 52 sowie der Befüllung des Fluidführungskanals 62 entgegen, so dass der Siphonscheitel 64 im Fluidführungskanal 62 nicht benetzt wird und die Flüssigkeit, die sich in der ersten Kammer 52 sowie in der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 befindet, zurückgehalten wird. Somit stellen diese Fluidikstrukturen einen Flüssigkeits-Haltebereich dar.The pneumatic overpressure Δp that builds up in the
Das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitshaltebereich wird erreicht, indem
- 1) der Flüssigkeitstransfer in die erste
Kammer 52 die hydrostatischen Höhe zwischen vorgeschalteterKammer 54 und ersterKammer 52 verringert, wodurch sich der in Richtung der Befüllung der erstenKammer 52 wirkende Zentrifugaldruck verringert, und - 2) gleichzeitig der pneumatische Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen mit fortschreitender Befüllung der ersten
Kammer 52 steigt,
- 1) the liquid transfer into the
first chamber 52 reduces the hydrostatic height between theupstream chamber 54 and thefirst chamber 52, as a result of which the centrifugal pressure acting in the direction of filling thefirst chamber 52 is reduced, and - 2) at the same time the pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures increases as the
first chamber 52 is filled,
Bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann bei geeigneter Wahl der Geometrien der Kammern und des Fluidführungskanals erreicht werden, dass Zentrifugaldruck und pneumatischer Überdruck gegenüber anderen Druckquellen wie z.B. dem Kapillardruck unter Berücksichtigung beliebiger Flüssigkeitseigenschaften und Kartuschenmaterialeigenschaften dominieren. Dies bedeutet, dass diese anderen Druckquellen nicht in der Lage sind, eine schaltvorgangsauslösende Abweichung von dem Befüllzustand des Flüssigkeitsführungspfads zu bewirken, der sich unter alleiniger Berücksichtigung des Gleichgewichts von pneumatischem Überdruck und Zentrifugaldruck ergibt. Dieses Gleichgewicht wird im Sinne der Erfindung auch verwirklicht, falls durch geringfügige gezielte Variationen der Prozessierungsbedingungen die beteiligten Drücke kontinuierlich variiert werden, wobei der qualitative Zustand der Zurückhaltung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich (z.B. der ersten Kammer) nicht verlassen wird. Anders ausgedrückt kann während des Haltens der Flüssigkeit in einem quasi-stationären Gleichgewicht eine geringfügige Variation der Prozessierungsbedingungen erfolgen, ohne den Schaltvorgang auszulösen.In all the exemplary embodiments described herein, with a suitable choice of the geometries of the chambers and the fluid guide channel, it can be achieved that centrifugal pressure and pneumatic overpressure dominate over other pressure sources such as capillary pressure, taking into account any fluid properties and cartridge material properties. This means that these other pressure sources are not able to cause a switching process-triggering deviation from the filling state of the liquid guide path, which results from the sole consideration of the balance of pneumatic overpressure and centrifugal pressure. This equilibrium is also achieved within the meaning of the invention if the pressures involved are continuously varied by slight, targeted variations in the processing conditions, whereby the qualitative state of retention of the liquid in the liquid holding area (e.g. the first chamber) is not abandoned. In other words, while maintaining the liquid in a quasi-stationary equilibrium, a slight variation in the processing conditions can take place without triggering the switching process.
Ausgehend vom in
- 1) die Rotationsfrequenz erhöht wird oder
- 2) die hydrostatische Höhe durch Hinzufügen von Flüssigkeit in den vorausgehenden Fluidikstrukturen vergrößert wird.
- 1) the rotation frequency is increased or
- 2) the hydrostatic head is increased by adding liquid in the preceding fluidic structures.
Durch die Erhöhung des Zentrifugaldrucks wird weitere Flüssigkeit aus der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer transferiert, so dass sich der Füllstand in der ersten Kammer 52 und dem Flüssigkeitsführungspfad 62 erhöht und der Siphonscheitel 64 des Fluidführungskanals 62 befüllt wird, wie in
Alternativ kann der Schaltvorgang durch eine Verringerung des pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden, so dass bei gleichbleibender Rotationsfrequenz Flüssigkeit pneumatisch induziert aus der vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer 52 transferiert wird und dadurch der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 befüllt wird. Die Verringerung des pneumatischen Überdrucks kann dabei z.B. durch eine Verringerung der Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, durch eine Vergrößerung des Volumens der nachfolgenden Fluidikstrukturen oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden. Letzteres kann über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand, beispielsweise den in
In der Folge einer der beschriebenen schaltauslösenden Prozessbedingungsveränderungen oder einer Kombination derselben befüllt sich der radial nach außen verlaufende Teil des siphonförmigen Kanals 64 im Flüssigkeitsführungspfad 62, wodurch die hydrostatische Höhe in diesem Kanal steigt. Der aus der hydrostatischen Höhe zwischen erster Kammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen resultierende Zentrifugaldruck führt zum Flüssigkeitstransfer von der ersten Kammer 52 in die nachfolgenden Fluidikstrukturen, wie in den
Während des Flüssigkeitstransfers wird Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen über den mindestens einen Gasführungspfad 60 in die erste Kammer 52 transferiert, wodurch dem Aufbau eines zusätzlichen pneumatischen Überdrucks in der Folge des Flüssigkeitstransfers in die nachfolgenden Fluidikstrukturen entgegengewirkt wird, siehe
Der Schaltdruck und die damit verbundene Rotationsfrequenz der Kartusche (Schaltfrequenz) kann durch geeignete Wahl der Positionen und Geometrien der Kammern und der Fluidführungspfade in einem weiten Bereich gewählt werden.The switching pressure and the associated rotation frequency of the cartridge (switching frequency) can be selected over a wide range by suitable selection of the positions and geometries of the chambers and the fluid guide paths.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele näher erläutert. Aufgrund der Abhängigkeiten zwischen Struktur und Verfahren werden für die Ausführungsbeispiele jeweils die besonderen Merkmale und die Besonderheiten des aus den Merkmalen resultierenden Verfahrens gemeinsam angegeben. Dort wo sich bei der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele Bescheibungsteile wiederholen würden, sind diese teilweise weggelassen, so dass Beschreibungsteile Ausführungsbeispiel-übergreifend gelten können. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele zum Teil jeweils nur einen Fluidpfad zwischen vorausgehenden Fluidikstrukturen und erster Kammer sowie nur einen Flüssigkeitsführungspfad und einen Gasführungspfad zwischen erster Kammer und den nachfolgenden Fluidikstrukturen zeigen, bedeutet dies keine Einschränkung der Zahl der möglichen Verbindungspfade zwischen den Fluidikstrukturen und dient lediglich der Vereinfachung der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.Further exemplary embodiments are explained in more detail below. Because of the dependencies between structure and method, the special features and the special features of the method resulting from the features are specified together for the exemplary embodiments. Where parts of the description would be repeated in the description of the various exemplary embodiments, these are partially omitted so that parts of the description can apply across all exemplary embodiments. Although the described exemplary embodiments in each case show only one fluid path between the preceding fluidic structures and the first chamber and only one liquid guide path and one gas guide path between the first chamber and the subsequent fluidic structures, this does not mean any restriction of the number of possible connection paths between the fluidic structures and only serves to simplify the Description of the exemplary embodiments.
Bei dem in
Bei dem in den
Das in den
Im Betrieb wird Flüssigkeit 80 über die vorgeschalteten Fluidikstrukturen in die erste Fluidkammer 52 eingebracht. Die Fluidikstrukturen sind dabei derart ausgelegt, dass die erste Fluidkammer 52 vollständig mit der Flüssigkeit 80 gefüllt wird. Durch die eingebrachte Flüssigkeit wird dabei ein Gasvolumen in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen eingeschlossen. In
Durch die Position der Flüssigkeitsmenisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60, 62 lässt sich erreichen, dass die beschriebene Struktur zur Abmessung der Flüssigkeitsmenge in der ersten Kammer 52 und den Fluidverbindungspfaden genutzt werden kann, wobei eine hohe Genauigkeit des abgemessenen Volumens erreicht werden kann.The position of the
Ausgehend von dem in
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die
Die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 ist an einem Mündungspunkt mit dem Gasführungspfad 60 verbunden. Der Mündungspunkt liegt vorzugsweise nicht an der radial äußersten Position der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58, beispielsweise in einem radial inneren Bereich derselben oder an der radial innersten Position 70. Die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 ist ferner mit dem Flüssigkeitsführungspfad 62 fluidisch verbunden, vorzugsweise radial außerhalb der Anschlussposition 72 zwischen dem Flüssigkeitsführungspfad 62 und der ersten Fluidkammer 52. Der Flüssigkeitsführungspfad 62 kann an einer radial äußeren Position, beispielsweise an der radial äußersten Position 74, in die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 münden.The
Bei dem in
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Fluidikstrukturen, wie sie in
Durch eine geeignete Wahl des Teilkompressionsvolumens 112 und der Volumina der nachgeschalteten Fluidikstrukturen kann der im Gleichgewicht in den nachfolgenden Fluidikstrukturen herrschende pneumatische Überdruck Δp weitgehend frei gewählt werden.Through a suitable selection of the
Durch eine Erhöhung der Rotationsfrequenz kann ausgehend von dem in
Bezug nehmend auf die
Bei Ausführungsbeispielen kann die Anschlussposition 130 zwischen den vorausgehenden Fluidikstrukturen (beispielsweise dem Einlasskanal 110 und der vorgeschalteten Fluidkammer 54) und der ersten Fluidkammer 52 an einer frei wählbaren Position der ersten Fluidkammer 52 liegen. Dasselbe trifft auf Anschlusspositionen 132, 134 der Verbindungspfade 60, 62 zwischen erster Fluidkammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 an die erste Fluidkammer 52 zu. In dem Fall, dass eine Teilkompressionskammer 112 im Gasführungspfad 60 vorhanden ist, können die Verbindungspunkte 132 und 118 der Anschlüsse zwischen erster Fluidkammer 52 und Teilkompressionskammer 112 und die Verbindungspunkte 120, 136 zwischen der Teilkompressionskammer 112 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 ebenfalls frei gewählt werden. Vorzugsweise liegt der Mündungspunkt 136 des Gasführungspfads 60 in die nachgeschaltete Fluidkammer 58, das heißt das Flüssigkeitszielvolumen, nicht an der radial äußersten Position des Flüssigkeitszielvolumens. Weiterhin kann die Anschlussposition 138 des Flüssigkeitsführungspfads 62 in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 frei gewählt werden. Die Anschlussposition 134 liegt vorzugsweise in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer 52, da die erste Fluidkammer 52 nur bis zu dieser Anschlussposition über dem Flüssigkeitsführungspfad 62 entleert werden kann.In exemplary embodiments, the
Anhand der
Wie in
Durch eine entsprechende Befüllung des Flüssigkeits-Haltebereichs, der die erste Kammer 52 und die Teilkompressionskammer 112 aufweist, kann ein Gleichgewichtszustand erreicht werden, bei dem sich der Meniskus 104 der Flüssigkeit im radial nach innen verlaufenden Bereich des siphonförmigen Bereichs des Flüssigkeitsführungspfads 62 befindet, und die in Richtung der Benetzung des Siphonscheitels 64 wirkenden Drücke (Zentrifugaldruck und eventuell andere Drücke, wie beispielsweise der Überdruck Δp1) im Gleichgewicht mit den entgegen der Benetzung wirkenden Drücken (dem pneumatischen Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und eventuell anderen Drücken) stehen. Dieser Betriebszustand ist in
Ausgehend von dem in
Nachdem bei dem in den
Die in
Bei dem Bezug nehmend auf die
Zunächst wird analog zu dem oben beschriebenen Verfahren Flüssigkeit zentrifugal induziert in die erste Fluidkammer 52 und die Fluidverbindungspfade 60, 62 transferiert und das in diesen vorhandene Gas wird in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt, wodurch in diesen ein pneumatischer Überdruck entsteht, welcher der weiteren Befüllung und damit der Benetzung des Siphonscheitels 64 im Flüssigkeitsführungskanal 62 entgegenwirkt. Die nachgeschalteten Fluidikstrukturen weisen dabei die nachgeschaltete Fluidkammer 58, die Fluidpfade 160, 162 und die nachgeschaltete Fluidkammer 158 auf. Nachdem die erste Fluidkammer 52 vorzugsweise vollständig mit Flüssigkeit befüllt wurde, ist der in
Während des ersten Transferprozesses wird, wie oben Bezug nehmend auf die
Bezug nehmend auf die
Allgemein wird erfindungsgemäß ein Flüssigkeitstransfer durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck bewirkt. Die Änderung dieses Verhältnisses kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Bei Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis geändert werden, indem eine Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls erhöht wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Antriebseinrichtung, durch die das Fluidikmodul in Rotation versetzt wird, mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung entsprechend gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den pneumatischen Druck zu verringern, um das Verhältnis zu ändern. Zu diesem Zweck kann ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand vorgesehen sein, der als Betätigungseinrichtung betrachtet werden kann, die ausgelegt ist, um den pneumatischen Druck zu verringern. Alternativ oder in Kombination kann der pneumatische Druck verringert werden, indem die Temperatur des eingeschlossenen Gasvolumens gesteuert, insbesondere verringert, wird. Dies kann erfolgen, indem entweder die Temperatur des gesamten Fluidikmoduls oder zumindest von Teilen des Fluidikmoduls, in dem das Gasvolumen eingeschlossen ist, entsprechend gesteuert wird. Zu diesem Zweck können, wie oben Bezug nehmend auf die
Bezug nehmend auf die
Wie bereits beschrieben wurde, kann eine temperaturgesteuerte Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, welche zur Initiierung des Flüssigkeitstransfers aus der ersten Fluidkammer in das Flüssigkeitszielvolumen dient, durch eine Verringerung der Temperatur des Gases in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden.As already described, a temperature-controlled reduction in pressure in the subsequent fluidic structures, which is used to initiate the transfer of liquid from the first fluid chamber into the target liquid volume, can be achieved by reducing the temperature of the gas in the subsequent fluidic structures.
Wie in
Die in
In einem ersten Schritt wird Flüssigkeit aus vorgeschalteten Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) zentrifugal induziert durch den Einlasskanal 200 in die erste Fluidkammer 202 transferiert. Dabei wird auch Flüssigkeit in die radial nach innen verlaufenden Bereiche der siphonförmigen Verbindungspfade 206, 208 zwischen der ersten Fluidkammer 202 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen 210 transferiert. Ab dem Zeitpunkt der Benetzung des Anschlusspunkts des letzten der Verbindungspfade 206, 208 verdrängt die weitere in die Verbindungspfade einfließende Flüssigkeit das in den Verbindungspfaden enthaltene Gas in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, wodurch sich bei konstanter Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Überdruck ergibt, wie in
Ausgehend von dem in
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Flüssigkeits-Haltebereich mehrere Fluidkammern aufweisen, die über ein oder mehrere Fluidkanäle verbunden sein können oder nicht.In the exemplary embodiments described so far, the liquid holding area has a first fluid chamber. In alternative exemplary embodiments, the liquid holding area can have a plurality of fluid chambers, which may or may not be connected via one or more fluid channels.
Ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Flüssigkeits-Haltebereich mehrere Fluidkammern aufweist und bei dem ein Schalten durch temperaturgesteuerte Druckverringerung erfolgen kann, wird nachfolgend Bezug nehmend auf
Wiederum sind entsprechende Fluidikstrukturen in einem Fluidikmodul 50 gebildet. Die Fluidikstrukturen weisen vorgeschaltete Fluidikstrukturen, einen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschaltete Fluidikstrukturen auf. Der Flüssigkeits-Haltebereich weist eine erste Fluidkammer 300 und eine zweite Fluidkammer 302 auf. Die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 sind über einen radial abfallenden Verbindungskanal 304 fluidisch verbunden. Die vorgeschalteten Fluidikstrukturen weisen eine vorgeschaltete Fluidkammer 306 auf, die in einem bezüglich eines Rotationszentrums R radial äußeren Bereich derselben Kammersegmente 306a und 306b aufweisen kann, die ein Abmessen von Flüssigkeitsvolumina ermöglichen. Das Kammersegment 306a ist über einen Fluidkanal 308 mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden und das Kammersegment 306b ist über einen Fluidkanal 310 mit der zweiten Fluidkammer 302 fluidisch verbunden. Ein weiterer Einlasskanal 312 kann mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden sein. Ein weiterer Einlasskanal/Entlüftungskanal 314 kann mit der zweiten Fluidkammer 302 fluidisch verbunden sein. Eine Entlüftungsöffnung 316 ist schematisch in
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die vorgeschalteten Fluidikstrukturen bei dem in
Wie in
Der Flüssigkeitsführungspfad 320 mündet in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an einem radial äußeren Ende, in die erste Fluidkammer 300. Der Gasführungspfad 328 mündet in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an einem radial äußeren Ende, in die zweite Fluidkammer 302. Die erste Fluidkammer 300 kann derart ausgestaltet sein, dass bei einem Befüllen derselben mit einem ersten Flüssigkeitsvolumen die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 über den Gasführungspfad 324 zu der zweiten Fluidkammer 302 entlüftet bleibt. Dieser Betriebszustand, bei dem ein erstes Flüssigkeitsvolumen 380 in die erste Fluidkammer 300 eingebracht ist, ist in
Wird nun weiteres Flüssigkeitsvolumen in die erste Fluidkammer 300 eingebracht, beispielsweise über die Kanäle 308 und/oder 312, steigt das Flüssigkeitsvolumen in der ersten Fluidkammer 300 solange an, bis überschüssiges Volumen durch den Verbindungskanal 304, der einen Überlauf darstellt, in die zweite Fluidkammer 302 fließt. Zu diesem Zweck liegt die Mündung des Verbindungskanals in die erste Fluidkammer 300 radial weiter innen als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer 300. Das überschüssige, in die zweite Fluidkammer 302 überlaufende Flüssigkeitsvolumen 382 verschließt den Gasführungspfad 324, der an einem radial äußeren Ende in die zweite Fluidkammer 302 mündet, luftdicht. Somit sind nun beide Fluidpfade 320 und 324 zu den nachgeschalteten Fluidikstrukturen luftdicht verschlossen, nachdem der Flüssigkeitsführungspfad 320 bereits bei Einbringen des Flüssigkeitsvolumens 380 in die erste Fluidkammer 300 luftdicht verschlossen wurde. Dieser Betriebszustand ist in
Ausgehend von diesem Betriebszustand kann nun, wie oben Bezug nehmend auf die
Bei starkem Unterdruck können auch die Siphon-Kanäle sowohl des Flüssigkeitsführungspfads 320 als auch des Gasführungspfads 324 mit Flüssigkeit gefüllt werden. Dadurch würden dann sowohl die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 als auch die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer 302 zumindest teilweise transferiert werden. Durch den in der Folge stattfindenden Transfer der Flüssigkeit durch den Fluidführungspfad in die Kammer 322, kann der der Unterdruck in Kammer 322 mindestens teilweise ausgeglichen werden. Durch Transfer ausreichend großer Flüssigkeitsmengen kann über den Ausgleich des Unterdrucks hinaus ein Überdruck erzeugt werden, welcher innerhalb eines der Siphon-Kanäle, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Gasführungskanal 324, zu einer Umkehr der Flussrichtung der Flüssigkeit und anschließend zu einem Phasenwechsel zu Gas führt, wodurch Gas aus den nachfolgenden fluidischen Strukturen 322 in die Kammer 302 entlüftet wird.In the event of a strong negative pressure, the siphon channels of both the
Eine Ausgestaltung, wie sie Bezug nehmend auf die
Die Bezug nehmend auf
Wie in den
Fluidikstrukturen, wie sie Bezug nehmend auf die
Es ist für Fachleute offensichtlich, dass bei der beschriebenen Verwendung von Unterdruck die Fluidkammer des Fluid-Haltebereichs auch in drei oder mehr Kammern aufgeteilt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen müssen die verschiedenen Kammern des Flüssigkeits-Haltebereichs nicht über Kanäle verbunden sein, mit Ausnahme der Verbindung über die nachgeschalteten Fluidikstrukturen und die Verbindungskanäle, die die Fluidkammer mit den nachgeschalteten Fluidikstrukturen verbinden.It is obvious to those skilled in the art that with the described use of negative pressure the fluid chamber of the fluid holding area can also be divided into three or more chambers. In exemplary embodiments, the various chambers of the liquid holding area do not have to be connected via channels, with the exception of the connection via the downstream fluidic structures and the connecting channels that connect the fluid chamber to the downstream fluidic structures.
Allgemein mündet bei Ausführungsbeispielen der Flüssigkeitsführungspfad an einer Position in eine Flüssigkeitsaufnahmekammer der nachfolgenden Fluidikstrukturen, die radial außerhalb einer Position liegt, an der der Flüssigkeitsführungspfad in eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs mündet. Mit anderen Worten weist der Flüssigkeitsführungspfad insgesamt ein radiales Gefälle auf. Somit ist es möglich, über den Flüssigkeitsführungspfad, der einen Siphon-Kanal aufweist, die Flüssigkeit aus der entsprechenden Kammer des Flüssigkeits-Haltebereichs in die nachfolgenden Fluidikstrukturen über einen Siphonscheitel zu transferieren, der radial innerhalb der Mündung des Flüssigkeitsführungspfads in die Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs angeordnet ist.In general, in exemplary embodiments, the liquid guiding path opens into a liquid receiving chamber of the downstream fluidic structures at a position that lies radially outside a position at which the liquid guiding path opens into a fluid chamber of the liquid holding area. In other words, the liquid guide path has a radial gradient overall. It is thus possible to transfer the liquid from the corresponding chamber of the liquid holding area into the subsequent fluidic structures via the liquid guiding path, which has a siphon channel, via a siphon apex, which is radially inside the mouth of the liquid guiding path into the fluid chamber of the liquid holding area is arranged.
Bei Ausführungsbeispielen können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine Flüssigkeitsaufnahmekammer aufweisen, in die die Flüssigkeit transferiert wird. Bei Ausführungsbeispielen kann der Flüssigkeits-Haltebereich zumindest eine Fluidkammer aufweisen, aus der die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert wird.In embodiments, the downstream fluidic structures can have at least one liquid receiving chamber into which the liquid is transferred. In exemplary embodiments the liquid holding area can have at least one fluid chamber from which the liquid is transferred into the downstream fluidic structures.
Bei Ausführungsbeispielen sind die Fluidikstrukturen derart ausgestaltet, dass Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke eine übergeordnete Rolle spielen, während Kapillarkräfte vernachlässigbar sein können. Bei Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Fluidpfade als Fluidkanäle ausgebildet sein, wobei in den Fluidpfaden Kammern, beispielsweise Teilkompressionskammern angeordnet sein können.In exemplary embodiments, the fluidic structures are designed in such a way that centrifugal pressures and pneumatic pressures play a major role, while capillary forces can be negligible. In exemplary embodiments, the respective fluid paths can be designed as fluid channels, with chambers, for example partial compression chambers, being able to be arranged in the fluid paths.
Ausführungsbeispiele schaffen somit Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zwei Fluidverbindungspfade zwischen einer Kammer, in der eine Flüssigkeit vor einem Schalten zurückgehalten wird, und einer Zielstruktur für die Flüssigkeit nach dem Schaltvorgang vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine weitgehend flüssigkeitseigenschafts-unabhängige monolithische Realisierung einer Struktur zum Schalten einer Flüssigkeit bei wahlweisem Überschreiten oder Unterschreiten einer hohen Rotationsfrequenz der Kartusche. Ausführungsbeispiele schaffen ein zentrifugo-pneumatisches Entlüftungs-Siphonventil, das Fluidikstrukturen auf einem zentrifugalen Testträger aufweist. Die Fluidikstrukturen können eine erste Anzahl an Kammern, nachfolgende Fluidikstrukturen, sowie mindestens zwei Fluidpfade, die die erste Anzahl an Kammern mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen verbinden, aufweisen. Mindestens einer der Fluidpfade zwischen der ersten Anzahl an Kammern und den nachfolgenden Fluidikstrukturen beinhaltet einen Siphon-Kanal, wobei die Verbindung über die Fluidpfade von der ersten Anzahl an Kammern zu den nachfolgenden Fluidikstrukturen derart angeordnet ist, dass bei Befüllen der ersten Anzahl von Kammern mit Flüssigkeit ein Zustand hergestellt werden kann, in dem in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein durch die Flüssigkeit eingeschlossenes Gasvolumen entsteht oder aber ein quasi-eingeschlossenes Gasvolumen entsteht, bei dem die nachfolgenden Strukturen eine Entlüftung mit einem Entlüftungs-Verzögerungswiderstand aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen solcher Fluidikstrukturen ist in mindestens einem der Fluidverbindungspfade zwischen der ersten Anzahl an Kammern und den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Siphon-Kanal vorgesehen, wobei der Siphonscheitel radial innerhalb der radial äußersten Position einer ersten Kammer, in die der Siphon-Kanal mündet, liegt. Bei Ausführungsbeispielen solcher Fluidikstrukturen sind die nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht entlüftet. Bei Ausführungsbeispielen kann die Anzahl an Kammern eine Kammer oder mehr als eine Kammer umfassen.Embodiments thus create fluidic modules, devices and methods in which two fluid connection paths are provided between a chamber in which a liquid is retained before switching and a target structure for the liquid after the switching process. This enables a monolithic implementation of a structure for switching a liquid, which is largely independent of the properties of the liquid, when a high rotational frequency of the cartridge is either exceeded or not reached. Exemplary embodiments create a centrifugal-pneumatic vent siphon valve that has fluidic structures on a centrifugal test carrier. The fluidic structures can have a first number of chambers, subsequent fluidic structures, and at least two fluid paths which connect the first number of chambers to the subsequent fluidic structures. At least one of the fluid paths between the first number of chambers and the subsequent fluidic structures contains a siphon channel, the connection via the fluid paths from the first number of chambers to the subsequent fluidic structures being arranged such that when the first number of chambers is filled with liquid a state can be created in which a gas volume enclosed by the liquid arises in the subsequent fluidic structures or a quasi-enclosed gas volume arises in which the subsequent structures have a vent with a vent delay resistor. In embodiments of such fluidic structures, a siphon channel is provided in at least one of the fluid connection paths between the first number of chambers and the subsequent fluidic structures, the siphon apex lying radially inside the radially outermost position of a first chamber into which the siphon channel opens. In embodiments of such fluidic structures, the following fluidic structures are not vented. In embodiments, the number of chambers can comprise one chamber or more than one chamber.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Zurückhalten und Schalten von Flüssigkeiten unter Verwendung eines entsprechenden zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs-Siphonventils, bei dem eine oder mehrere Flüssigkeiten in einem Flüssigkeits-Haltebereich (einer ersten Anzahl an Kammern) in einem durch Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke dominierten quasi-statischen Gleichgewicht zurückgehalten wird/werden, so dass eine nachfolgende Initiierung eines Transfers mindestens einer Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen lediglich durch eine Veränderung der wirkenden zentrifugalen und/oder pneumatischen Drücke möglich ist. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird im Laufe des Transfers von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen über mindestens einen Fluidpfad Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen in Richtung des Flüssigkeits-Haltebereichs transferiert. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird während des Transfers von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen mindestens ein Fluidverbindungspfad zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich und den nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird die Stoffmenge des Gases in den nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht durch einen mit der Umgebung verbundenen Fluidpfad verändert, während Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich zurückgehalten wird. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich aufgrund eines pneumatischen Unterdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers zurückgehalten. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich aufgrund eines pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers zurückgehalten. Ausführungsbeispiele können beliebige Abwandlungen und Kombinationen der gezeigten schematischen Ausführungsbeispiele aufweisen und werden durch diese nicht beschränkt.Embodiments create a method for retaining and switching liquids using a corresponding centrifugo-pneumatic vent siphon valve, in which one or more liquids in a liquid holding area (a first number of chambers) in a quasi-static dominated by centrifugal pressures and pneumatic pressures Equilibrium is / are retained, so that a subsequent initiation of a transfer of at least one liquid from the liquid holding area into the subsequent fluidic structures is only possible by changing the acting centrifugal and / or pneumatic pressures. In embodiments of such a method, in the course of the transfer of liquid from the liquid holding area into the subsequent fluidic structures, gas is transferred from the subsequent fluidic structures in the direction of the liquid holding area via at least one fluid path. In embodiments of such a method, at least one fluid connection path between the liquid holding area and the following fluidic structures is not completely filled with liquid during the transfer of liquid from the liquid holding area into the subsequent fluidic structures. In embodiments of such a method, the amount of substance of the gas in the subsequent fluidic structures is not changed by a fluid path connected to the environment, while liquid is retained in the liquid holding area. In exemplary embodiments of such a method, liquid is retained in the liquid holding area due to a pneumatic negative pressure in the subsequent fluidic structures before the transfer is initiated. In exemplary embodiments of such a method, liquid is retained in the liquid holding area due to a pneumatic overpressure in the subsequent fluidic structures before the transfer is initiated. Exemplary embodiments can have any modifications and combinations of the schematic exemplary embodiments shown and are not restricted by these.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit Verfahren zum Schalten von Flüssigkeit unter Verwendung eines zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs-Siphonventils, das Fluidikstrukturen aufweist, wie sie hierin beschrieben sind. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik können Ausführungsbeispiele der beschriebenen Struktur in Verbindung mit dem beschrieben Verfahren auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik mehrere Anforderungen an die Einheitsoperationen des Zurückhaltens und späteren gezielten Weiterschaltens einer Flüssigkeit gleichzeitig erfüllen. Ausführungsbeispiele ermöglichen eine monolithische Realisierung der zugehörigen Fluidikstrukturen in einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Ausgestaltung der Struktur, so dass das Funktionsprinzip weitgehend unabhängig gegenüber Flüssigkeits- und Kartuschenmaterial-Eigenschaften ist. Dies umfasst insbesondere den Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial, sowie die Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit von weitergehenden Anpassungen der Fluidikstrukturen, um die notwendigen Prozessierungsbedingungen für die Auslösung eines Schaltprozesses in weiten Bereichen zu bestimmen. Die Anpassungsmöglichkeiten können insbesondere die Möglichkeit zur freien Wahl des in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferierten Gasvolumens und dem dadurch erzielten pneumatische Überdruck betreffen.Embodiments of the invention thus provide methods for switching fluid using a centrifugo-pneumatic vent siphon valve having fluidic structures as described herein. In contrast to the known prior art, embodiments of the structure described in connection with the described method in the field of centrifugal microfluidics can simultaneously meet several requirements for the unit operations of holding back and later targeted switching on of a liquid. Embodiments enable a monolithic realization of the associated fluidic structures in a centrifugal microfluidic cartridge. Exemplary embodiments offer the possibility of designing the structure, so that the functional principle is largely independent of the properties of the liquid and cartridge material. This includes in particular the contact angle between the liquid and the cartridge material, as well as the viscosity and surface tension of the liquid. Embodiments offer the possibility of further adaptations of the fluidic structures in order to determine the necessary processing conditions for the triggering of a switching process in wide areas. The adaptation possibilities can in particular relate to the possibility of free choice of the gas volume transferred into the subsequent fluidic structures and the pneumatic overpressure achieved thereby.
Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Initiierung des Schaltprozesses unter Verwendung verschiedener Veränderungen der Prozessierungsbedingungen. Dies umfasst insbesondere Rotationsfrequenzen, Temperaturen und Wartezeiten (bei Verwendung eines Entlüftungs-Verzögerungswiderstands) während der Prozessierung. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit, unter Rückgriff auf Temperaturänderungen abhängig von der Prozessführung eine Flüssigkeit bei Erhöhung über eine Schwellfrequenz oder bei Verringerung der Rotationsfrequenz unter eine Schwellfrequenz zu schalten. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Herstellung der mikrofluidischen Strukturen ohne scharfe Kanten, das heißt mit geringen Anforderungen an Fertigungsverfahren, wie z. B. Spritzguss und Spritzprägen. Ausführungsbeispiele ermöglichen es, stark ansteigende pneumatische Drücke im fluidischen Zielvolumen während des Flüssigkeitstransfers nach dem Schaltvorgang zu vermeiden. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit einer Kaskadierung der Fluidikstrukturen. Schließlich bieten Ausführungsbeispiele die Möglichkeit zur Mehrfachverwendung der Fluidikstrukturen, um mehrere Flüssigkeiten nacheinander zurückzuhalten und gezielt zu schalten.Exemplary embodiments offer the possibility of initiating the switching process using various changes in the processing conditions. This includes, in particular, rotation frequencies, temperatures and waiting times (when using a ventilation delay resistor) during processing. Embodiments offer the possibility of using temperature changes as a function of the process control to switch a liquid when increasing above a threshold frequency or when reducing the rotation frequency below a threshold frequency. Embodiments offer the possibility of producing the microfluidic structures without sharp edges, that is, with low demands on production processes, such as. B. Injection molding and injection compression molding. Embodiments make it possible to avoid strongly increasing pneumatic pressures in the fluid target volume during the fluid transfer after the switching process. Exemplary embodiments offer the possibility of cascading the fluidic structures. Finally, embodiments offer the possibility of multiple use of the fluidic structures in order to hold back several liquids one after the other and to switch them in a targeted manner.
Ausführungsbeispiele sind konfiguriert, um das Verhältnis des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu ändern, um eine Schwelle zu überschreiten, bei der ein Siphonscheitel des Siphon-Kanals in dem ersten Fluidpfad überwunden wird, so dass ein Transferieren der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen stattfindet.Embodiments are configured to change the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in order to exceed a threshold at which a siphon apex of the siphon channel in the first fluid path is overcome, so that a transfer of the liquid from the liquid holding area into the downstream fluidic structures takes place.
Ausführungsbeispiele beschreiben Varianten der Fluidikstrukturen und zugehörigen Verfahren, welche verschiedene Möglichkeiten zur Beeinflussung des Gleichgewichts der Drücke aufzeigen, die in Richtung oder entgegen der Initiierung des erfindungsgemäßen Schaltvorgangs wirken. Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren weiterhin auf der Erkenntnis, dass das beschriebene Schaltprinzip leicht mit anderen Operationen auf derselben zentrifugalen mikrofluidischen Plattform kombiniert werden kann, beispielsweise indem eine Flüssigkeit nach vorhergehenden fluidischen Operationen in eine erfindungsgemäße Struktur geleitet wird oder indem die beschriebene Schaltstruktur kaskadiert wird.Exemplary embodiments describe variants of the fluidic structures and associated methods, which show different possibilities for influencing the equilibrium of the pressures that act in the direction of or against the initiation of the switching process according to the invention. Embodiments of the invention are also based on the knowledge that the switching principle described can easily be combined with other operations on the same centrifugal microfluidic platform, for example by directing a liquid into a structure according to the invention after previous fluidic operations or by cascading the switching structure described.
Claims (15)
- Method for switching liquid from a liquid retaining area (52, 202, 300, 302) into downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) by using a fluidic module (50), comprising:a liquid retaining area (52, 202, 300, 302) into which liquid (80) can be introduced,at least two fluid paths (60, 62, 206, 208, 320, 324) fluidically connecting the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) to downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322),wherein at least a first fluid path (62, 206, 320) of the two fluid paths comprises a syphon channel, wherein a syphon crest (64, 212, 326) of the syphon channel is located radially inside of a radial outermost position of the liquid retaining area (52, 202, 300, 302), wherein the syphon crest (64, 212, 326) is an area of the syphon channel with minimum distance to the center of rotation,wherein the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) are not vented or only vented via a vent delay resistor (66), the fluidic resistance of which is at least high enough that the reduction of a differential pressure in the downstream fluidic structures to the ambient pressure to its half, taking into account venting through the fluidic resistance alone, takes at least 0,5 s, when the liquid (80) is introduced into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302), such that an enclosed gas volume or a gas volume onely vented via the vent delay resistor (66) results in the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) when the liquid is introduced into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302), and a ratio of a centrifugal pressure effected by a rotation of the fluidic module (50) to a pneumatic pressure prevailing in the gas volume at least temporarily prevents the liquid from reaching the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) through the fluid paths (60, 62, 206, 208, 320, 324),wherein it can be effected by changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure that the liquid at least partly reaches the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) through the first fluid path (62, 206, 320) and the gas volume is at least partly vented into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) through the second fluid path (60, 208, 324) of the two fluid paths,the method comprising the steps of:introducing at least one liquid (80) into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) and retaining the liquid in the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) by rotating the fluidic module (50), such that the liquid is retained in the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) in a quasi-stationary equilibrium dominated by the centrifugal pressure and the pneumatic pressure; andchanging the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in order to transfer the liquid at least partly through the first fluid path (62, 206, 320) into the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) and to vent the gas volume at least partly into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) through the second fluid path of the two fluid paths,whereina) retaining the liquid in the liquid retaining area (52) comprises generating a pneumatic overpressure in the downstream fluidic structures (58, 94, 158) prior to initiating the transfer, and changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure comprises increasing the rotational speed of the fluidic module (50), increasing the hydrostatic height of the liquid and/or reducing the pneumatic pressure, orb) retaining the liquid in the liquid retaining area comprises generating a negative pressure in the downstream fluidic structures (210, 322) in order to adjust and retain menisci (102, 104, 122) in the liquid retaining area and the first and second fluid paths (206, 208, 320, 324) without transferring the liquid into the downstream fluidic structures (210, 322) through the first fluid path (206, 320), and wherein changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure comprises reducing the rotational speed of the fluidic module (50) and/or reducing the pneumatic pressure in the downstream fluidic structures (210, 322).
- Method according to claim 1, wherein changing the ratio comprises reducing the pneumatic pressure by reducing the temperature in the downstream fluidic structures (210, 322), increasing the volume of the downstream fluidic structures (210, 322) and/or reducing the amount of gas in the downstream fluidic structures (210, 322).
- Method according to one of claims 1 or 2, wherein the second fluid path (60, 208, 324) is not completely filled with liquid during the transfer of the liquid through the first fluid path (62, 206, 320).
- Method according to one of claims 1 to 3, wherein the amount of the gas in the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) is not changed while the liquid is retained in the liquid retaining area (52, 202, 300, 302).
- Method according to one of claims 1 to 4, wherein the second fluid path (60, 208, 324) of the two fluid paths is a venting channel for the downstream fluidic structures (58, 94, 158, 210, 322) closed by the liquid when the liquid is introduced into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302).
- Method according to one of claims 1 to 5, wherein the first fluid path (62, 206, 320) leads into the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) in a radial outer area or at a radial outer end, such that the liquid retaining area (52, 202, 300, 302) can be emptied via the first fluid path (62, 206, 320), at least up to the area where the first fluid path (62, 206, 320) leads into the liquid retaining area.
- Method according to one of claims 1 to 6, wherein the liquid retaining area comprises a first fluid chamber (52, 202, 300), wherein the first fluid path (62, 206, 320) leads into the first fluid chamber (52, 202, 300) in a radial outer area of the first fluid chamber (52, 202, 300) or at a radial outer end of the first fluid chamber (52, 202, 300).
- Method according to claim 7, wherein the first fluid chamber (52) is not vented or only vented via a vent delay resistor, the fluidic resistance of which is at least high enough that the reduction of a differential pressure in the first fluid chamber (52) to the ambient pressure to its half, taking into account venting through the fluidic resistance alone, takes at least 0,5 s, when the liquid is introduced into the liquid retaining area, such that a gas volume enclosed in the first fluid chamber (52) and the downstream fluidic structures (58, 94) or a gas volume onely vented via the vent delay resistor results when the liquid is introduced into the liquid retaining area.
- Method according to claim 7, wherein the liquid retaining area further comprises a second fluid chamber (302) into which liquid can be introduced by a centrifugal pressure effected by a rotation of the fluidic module (50), wherein the first fluid path (320) leads into the first fluid chamber (300) and the second fluid path (324) leads into the second fluid chamber (302), and wherein the second fluid path (324) can be closed by liquid introduced into the second fluid chamber (300).
- Method according to claim 9, wherein the first fluid chamber (300) and the second fluid chamber (302) are fluidically connected via a connecting channel (304) whose orifice into the first fluid chamber (300) is located radially further inside than a radial outer end of the first fluid chamber (300), such that liquid from the first fluid chamber (300) flows over into the second fluid chamber (302) when the filling level of the liquid in the first fluid chamber (300) reaches the orifice and closes the second fluid path (324) leading into the second fluid chamber (302).
- Method according to one of claims 1 to 10, wherein the second fluid path (60, 208, 324) comprises a siphon channel, wherein the second fluid path (208, 324) leads into the liquid retaining area (52, 202, 302) in a radial outer area of the liquid retaining area (52, 202, 302), and wherein a crest (92, 214, 328) of the siphon channel of the second fluid path (60, 208, 324) is located radially further inside than a crest (64, 212, 326) of the siphon channel of the first fluid path (62, 206, 320).
- Method according to claim 11, wherein a fluid intermediate chamber (112) is arranged in the second fluid path (60) between the crest (92) of the siphon channel of the second fluid path (60) and the orifice (116, 132) of the second fluid path (60) into the liquid retaining area (52), wherein the fluid intermediate chamber (112) is at least partly filled with the liquid when the liquid is introduced into the liquid retaining area (52).
- Method according to one of claims 1 to 12, wherein the downstream fluidic structures comprise at least one downstream fluid chamber (58, 210, 322) into which the first fluid path (62, 206, 320) leads.
- Method according to claim 13, wherein the first fluid path (62, 206) leads into the downstream fluid chamber (58, 210) radially further outside than the second fluid path (60, 208).
- Method according to claim 13 or 14, wherein the downstream fluid chamber (58) is a first downstream fluid chamber and the downstream fluidic structures comprise a second downstream fluid chamber (94, 158) fluidically connected to the first downstream fluid chamber (58) via at least a third fluid path (96, 160),
wherein the first downstream fluid chamber (58) is fluidically connected to the second downstream fluid chamber (158) via a third fluid path (160) and a fourth fluid path (162),
wherein at least the third fluid path (160) comprises a siphon channel,
wherein the third fluid path (160) and the fourth fluid path (162) are closed by the liquid when the liquid reaches the first downstream fluid chamber (58) of the downstream fluidic structures through the first fluid path (62) due to a change of the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure, wherein, in the second downstream fluid chamber (158), an enclosed gas volume or a gas volume results which is onely vented via a vent delay resistor, the fluidic resistance of which is at least high enough that the reduction of a differential pressure in the gas volume to the ambient pressure of its half, taking into account venting through the fluidic resistance alone, takes at least 0,5 s, and a ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure prevailing in the gas volume in the second downstream fluid chamber (158) at least temporarily prevents the liquid from reaching the second downstream fluid chamber (158) through the fluid paths (160, 162),
wherein it can be effected by changing the ratio of the centrifugal pressure to the pneumatic pressure in the second downstream fluid chamber (158) that the liquid at least partly reaches the second downstream fluid chamber (158) through the third fluid path (160) and the gas volume is vented from the second downstream fluid chamber (158) at least partly into the liquid retaining area through the fourth fluid path (162).
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