EP4173708A1 - Mikrofluidelement, insbesondere flusszelle, mit integriertem trockenreagenz - Google Patents

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EP4173708A1
EP4173708A1 EP21205300.3A EP21205300A EP4173708A1 EP 4173708 A1 EP4173708 A1 EP 4173708A1 EP 21205300 A EP21205300 A EP 21205300A EP 4173708 A1 EP4173708 A1 EP 4173708A1
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EP
European Patent Office
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end section
microfluidic element
liquid
pressure
dry reagent
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Application number
EP21205300.3A
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Lutz Weber
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Thinxxs Microtechnology GmbH
Original Assignee
Thinxxs Microtechnology GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a microfluidic element, in particular a flow cell, for processing a quantity of liquid to be transported in a channel area of the microfluidic element, which quantity comes into contact with a dry reagent integrated into the microfluidic element.
  • the invention further relates to a method for producing such a microfluidic element, a combination of such a microfluidic element with operating devices and a method for operating such a microfluidic element.
  • microfluidic elements in particular flow cells, are increasingly being used in the life sciences for analysis and/or synthesis.
  • flow cells with cavity structures comprising channels and chambers, very small volumes of fluid can be transported and processed, e.g. amounts of liquid less than 10 ⁇ l.
  • a particular problem in the production of microfluidic elements is the integration of dry reagents, which must be reconciled with further production steps. Subsequent welding and gluing processes in particular can have a significant impact on dry reagents that have already been introduced.
  • the invention is based on the object of creating a new microfluidic element of the type mentioned at the outset, which requires a further reduced production outlay.
  • microfluidic element that achieves this object according to the invention is characterized in that the dry reagent is arranged in an end section of the channel area that is open to the outside.
  • this inventive solution allows a dry reagent to be introduced into the microfluidic element in a final production step without being adversely affected by production steps such as gluing or welding, with the end section open to the outside for receiving a liquid reagent being accessible by pipetting or immersion and the liquid near the opening drying quickly can.
  • the amount of liquid e.g the quantity of liquid has a further outwardly open end section which is in fluid communication with the end section containing the dry reagent.
  • the amount of fluid can be transferred by means of pneumatic pressure to the end section containing the dry reagent, where the dry reagent is redissolved, e.g. with diffusion or back and forth movement of the amount of fluid.
  • the end section containing the dry reagent and the further end section for the introduction of the quantity of liquid are expediently delimited in each case by a narrowing of the channel cross section.
  • the constriction forms a barrier to liquid up to a limiting pressure, but allows air to pass.
  • the surfaces of both or one of the end sections that come into contact with liquid are preferably hydrophilized and have a contact angle to water of ⁇ 60°, e.g. by a hydrophilic coating or by a surface treatment such as corona or plasma treatment or by plasma polymerisation, or by wet chemical treatment.
  • the end section and the further end section are preferably each designed as a capillary channel and are in particular made hydrophilic.
  • the end section and/or the further end section is/are formed in a projection that projects, in particular perpendicularly, from an essentially plate-shaped base body of the microfluidic element.
  • An end section with a hydrophilic surface can take up a quantity of liquid introduced by dispensing or pipetting, e.g.
  • the attachment or attachments are preferably formed in one piece with a substrate comprised by the base body, so that the attachments can be produced in one operation with the substrate during injection molding of the substrate.
  • the end section with the dry reagent can be formed in a separate carrier element, which at least partially forms the attachment and is connected to the microfluidic element by gluing, welding and/or a press fit.
  • the end section containing the dry reagent is covered from the outside by a frangible foil or a membrane which is permeable to gas but impermeable to liquid.
  • the foil that can be broken off advantageously protects the dry reagent from the effects of moisture when the microfluidic element is stored.
  • the advantage of the gas-permeable membrane is that the channel area is delimited, which prevents liquid from escaping unintentionally from the channel area.
  • the channel area can, for example, comprise a chamber which forms, for example, a detection and/or reaction area, with the microfluidic element being expediently transparent at least in the area of the chamber for optical measurements.
  • operating devices for the microfluidic element designed as a separate structural unit expediently comprise a controllable, pneumatic pressure source for connection to the further end section provided for receiving the quantity of liquid and a passive pressure source comprising a closed compression space for connection to the end section containing the dry reagent. In the closed space of the passive pressure source, trapped air is compressed when the amount of liquid is displaced.
  • the amount of liquid is shifted towards the end section with the dry reagent.
  • the pressure of the controllable pressure source By constantly controlling the pressure of the controllable pressure source, the amount of liquid within the channel area can be placed at a pressure-dependent location. In this way, a to-and-fro movement of the amount of liquid is possible, which promotes redissolution and mixing of the dry reagent with the amount of liquid.
  • the separate operating device and possibly the microfluidic element expediently have valve devices for pressureless decoupling of the microfluidic element from the operating device, which ensures that the pressure of both pressure sources is at ambient pressure during decoupling.
  • the operator devices expediently include one or more sensors for detecting the respective position of the amount of liquid within the channel area, e.g. a pressure sensor.
  • the mentioned pneumatic pressure sources expediently have a cap-like connection piece, which can be placed over the attachment containing the end section and rests against the microfluidic element in a gas-tight manner, for example via an O-ring.
  • a flow cell in which several end sections containing a dry reagent are formed, in which the channel region branches into several channel parts, each containing an end section with a dry reagent.
  • the microfluidic element shown comprises a plate-shaped base body 1, from which projections 2,2' and 3,3' project perpendicularly.
  • the base body 1 has a substrate 4 to which the projections 2,2' and 3,3' are integrally connected.
  • the substrate 4 is glued or welded to a film 5 on its side facing away from the projections.
  • the substrate 1 with the approaches 2.2' and 3.3' is injection molded and consists of a plastic, preferably COC, COP, PMMA, PC, PS, PE, PP or PEEK.
  • the film 5 closes recesses formed in the substrate, so that within the base body 1 an in 2 visible cavity structure 6 is formed for two independently operable flow cells.
  • FIG 3 shows schematically a cross section through one of the flow cells with the projections 2 and 2'.
  • the flow cell comprises a channel area 7, which extends from an opening 8 through the attachment 2, the base body 1 and the attachment 2' to an opening 9.
  • the channel area 7 comprises a chamber 10 arranged approximately in the middle of the channel area in relation to the channel length.
  • Figure 3b shows a drop of a reagent liquid 13' which can be introduced into the end section 12 of the channel area 7, for example with the aid of a pipette, whereby it fills the end section 12 up to the constriction 14'.
  • a reagent liquid 13' which can be introduced into the end section 12 of the channel area 7, for example with the aid of a pipette, whereby it fills the end section 12 up to the constriction 14'.
  • an in 4 shown dry reagent 13 from.
  • An operator device comprises a controllable pneumatic pressure source with a cap-shaped connecting piece 19 which can be slipped over the end section 11 and pressed against the flow cell in a gas-tight manner via an O-ring 20 .
  • the sample quantity 15 is shifted further beyond the chamber 10 by increasing the pressure of the controllable pressure source of the operator device and according to FIG Fig. 4f reaches the end section 12 of the channel region 7, where it comes into contact with the dry reagent 13 and redissolves the dry reagent.
  • the liquid sample quantity with the redissolved dry reagent can be Fig. 4f and the inside Fig. 4g be shifted back and forth from the position shown, the transport around the 90° bend in the channel area 7 near the end section 12 ensuring intensive mixing of the liquid 15 with the reagent.
  • the liquid sample quantity with the redissolved reagent is in the chamber 10, it being possible for the liquid sample quantity to be examined optically through the substrate 4 and/or the film 5, which is transparent in the example.
  • Optical measurements are also already included in the in Figure 4d shown position of the liquid sample is possible. With such double measurements, effects influencing the optical signal, such as transparency or autofluorescence of the materials of the flow cell of substrate and foil arranged in the detection area, can be calculated from the optical signal by subtraction.
  • the sample liquid By lowering the pressure of the controllable pressure sources to atmospheric pressure, the sample liquid can be conveyed back from the chamber 10 to its starting position and the flow cell can be decoupled from the operator device without pressure.
  • a reagent liquid is introduced into the end section 12 of the channel area 7, e.g. using a pipette, with the constriction 14' preventing the channel area 7 from being wetted beyond the end section 12.
  • the inner surface of the end section 12 for example, with axial grooves or in a star shape figure 5 form, whereby the reagent preferably dries in the area of the grooves and not in the center of the end section 12 by capillary action.
  • FIG. 1 shows a modification of the operator's equipment which provides a flow connection between fittings 19 and 21 with a valve 23.
  • FIG. 6 shows a modification of the operator's equipment which provides a flow connection between fittings 19 and 21 with a valve 23.
  • the amount of sample within the decoupled flow cell advantageously remains in place within the chamber 10, so that the flow cell does not have to remain in the operator device to maintain and carry out incubation processes between optical measurements, which is particularly advantageous for long incubation times.
  • the operator device can have two valves 24 and 25 which connect the respective pressure sources to the ambient atmosphere ( 7 ), so that also in this case the amount of sample positioned in the chamber 10 remains in the chamber 10 if the valves 24 and 25 take place simultaneously with the same pressure drop in the connection spaces.
  • the valves 24,25 can be formed in different ways, for example as pneumatic valves. However, the valves can also be mechanically switched valves as part of the flow cell, membranes or septa of the flow cell that can be pierced by cannulas of the operator device being considered.
  • the controllable pressure source of the operator device can have a mechanical pump in connection with a pneumatic interface. A pump can also be designed as part of the flow cell, for example as a mechanical blister pump volume or according to the peristaltic principle.
  • a closed volume formed by the flow cell itself or a separate chamber that can be connected to the flow cell and does not form part of an operator facility could also be considered as a passive pressure source.
  • This foil 26, made of plastic or aluminum, can be attached by gluing or welding after the reagent liquid has been introduced or after drying, in order to protect the reagent from environmental influences, in particular atmospheric humidity.
  • the foil 26 can serve to use the opening 9 during the intended use of the flow cell in order to form a passive pressure source with the aid of the foil.
  • Figure 8b shows a porous membrane 27 covering the opening 9, which allows air but (up to a certain pressure) no liquid to pass through.
  • Typical pore sizes are in the range of 0.1 - 10 ⁇ m.
  • the flow cell can be used as intended using the membrane 27 . Accidental escaping of sample liquid through the opening 9 is advantageously avoided.
  • Figure 8c shows an embodiment with a separate carrier 28 for a dry reagent.
  • the injection-moulded plastic support with a hydrophilized through-opening coated with dry reagent can be connected to the flow cell by gluing, welding or press-fitting, with the through-opening forming an end section 12 of a channel region 7 .
  • the sample liquid can flow over the area of the dry reagent beyond its end without exiting from the channel area, which promotes the mixing of the sample liquid with the reagent.
  • the application of the dry substance to the easy-to-handle carrier 28 is easier than applying it directly to an attachment on the base body of the flow cell.
  • Figure 8d shows a separate carrier 28', which is plate-shaped with a number of through-holes for receiving a number of identical or different dry reagents is provided. At least two through holes forming the end portions may have different diameters.
  • a channel area 7 has a single input section 11 for receiving liquid to be processed and a plurality of end sections 12 with a dry reagent, with parts of the channel area 7 each having at least one chamber, e.g analysis.
  • a defined amount of sample liquid is divided into eight fractions and a dry reagent is fed to eight end sections 12, it being possible for the dry reagents to differ from end section to end section.
  • the fractions are mixed and processed or analyzed separately.
  • the design of the end sections 12 and the input section 11 can be implemented as in the previous exemplary embodiment and can be hydrophilized, for example, in the manner described above.
  • chambers 10 forming analysis/detection areas have identical volumes.
  • the flow cell of 9 can be used like the flow cells described above. Eight connecting lines and valves are required to place sample liquid after analysis in the chambers when disconnected from an operator facility.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a manifold as part of a with the flow cell of 9 connectable operator device with two welded plates, between which are formed pneumatic channels connecting pressure sources.
  • the plate facing the flow cell has a fitting corresponding to the aforesaid fitting 19 and eight fittings corresponding to the aforesaid fitting 21, which are connected by means of a gasket or O-rings hermetically sealed with the flow cell. Once connected, the flow cell and manifold form a closed pneumatic circuit.
  • the plate facing away from the flow cell has an active pressure source 30 including a pressure sensor, a pneumatic valve 31 for connecting the active pressure source to the environment and eight pneumatic valves 32 which connect the active pressure source 30 to the eight passive pressure sources via pneumatic connecting channels 33 arranged between the plates or separate from each other.
  • the passive pressure sources are formed from the sum of the volumes of the pneumatic channel areas between the closed valves 32 and the connection pieces 21, the volume formed between the extensions 21 of the manifold and the extensions 2 'of the flow cell and the channel volume 7 of the flow cell between the introduced sample liquid and the End section 12.
  • the amount of liquid introduced is increased by pressurization by means of the active pressure source 30 with the valves 31 and 32 closed, as in 4 shown shifted in the direction of the end sections 12 and divided into eight substantially equal fractions due to the eight substantially equal passive pressure sources.
  • the separate active and passive pressure sources are at the same pressure level.
  • all pressure sources are connected to each other by opening the eight valves 32 simultaneously without substantially changing the pressure level acting on the liquid in the detection chamber upstream and downstream.
  • a preferably slow opening of the valve 31 lowers the pressure level to the ambient pressure in order to be able to separate the manifold from the flow cell without pressure, with the eight liquid fractions remaining in the eight detection areas after the separation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidelement, insbesondere eine Flusszelle, zur Verarbeitung einer in einem Kanalbereich (7) des Mikrofluidelements zu transportierenden Flüssigkeitsmenge (15), die mit einem in das Mikrofluidelement integrierten Trockenreagenz (13) in Kontakt kommt. Erfindungsgemäß ist das Trockenreagenz (13) in einem nach außen offenen Endabschnitt (12) des Kanalbereichs (7) angeordnet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofluidelements, eine Kombination aus dem Mikroelement und Betreibereinrichtungen sowie ein Verfahren zum Betreiben des Mikroelements durch Betreibereinrichtungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidelement, insbesondere eine Flusszelle, zur Verarbeitung einer in einem Kanalbereich des Mikrofluidelements zu transportierenden Flüssigkeitsmenge, die mit einem in das Mikrofluidelement integrierten Trockenreagenz in Kontakt kommt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofluidelements, eine Kombination eines solchen Mikrofluidelements mit Betreibereinrichtungen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mikrofluidelements.
  • Bekanntermaßen werden Mikrofluidelemente, insbesondere Flusszellen, zunehmend in den Life Sciences zur Analyse oder/und Synthese eingesetzt. In Flusszellen mit Kanäle und Kammern umfassenden Hohlraumstrukturen lassen sich sehr kleine Fluidvolumen transportieren und verarbeiten, z.B. Flüssigkeitsmengen kleiner 10 µl.
  • Ein besonderes Problem bei der Herstellung von Mikrofluidelementen stellt die Integration von Trockenreagenzien dar, die mit weiteren Fertigungsschritten in Einklang gebracht werden muss. Insbesondere nachträgliche Schweiß- und Klebevorgänge können bereits eingebrachte Trockenreagenzien erheblich beeinträchtigen.
  • Aus der EP 2 821 138 A1 geht ein Fertigungsverfahren für Flusszellen hervor, bei dem an pfropfenartigen Trägerelementen stirnseitig anhaftende Trockenreagenzien in einem abschließenden Fertigungsschritt in Öffnungen der Flusszelle eingebracht werden. Durch Einsetzen des Trägerelements in eine Zugangsöffnung zu einem Transportkanal der Flusszelle wird die Öffnung verschlossen und das Trockenreagenz angrenzend an den Transportkanal platziert. Die Handhabung solcher mitunter sehr kleinen Trägerelemente mit Durchmessern von z.B. 1 mm ist sehr aufwendig. Dies stört insbesondere dann, wenn viele, z.B. mehr als zehn, verschiedene Trockenreagenzien für unterschiedliche Reaktionen innerhalb der Flusszelle zu platzieren sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Mikrofluidelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das einen weiter verringerten Herstellungsaufwand erfordert.
  • Das diese Aufgabe lösende Mikrofluidelement nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenreagenz in einem nach außen offenen Endabschnitt des Kanalbereichs angeordnet ist.
  • Vorteilhaft lässt sich durch diese Erfindungslösung ein Trockenreagenz in einem abschließenden Fertigungsschritt ohne Beeinträchtigung durch Fertigungsschritte wie Kleben oder Schweißen in das Mikrofluidelement einbringen, wobei der nach außen offene Endabschnitt zur Aufnahme eines flüssigen Reagenz durch Pipettieren oder Tauchen zugänglich ist und die Flüssigkeit nahe der Öffnung schnell trocken kann.
  • Während es denkbar ist, dass die Flüssigkeitsmenge, z.B. eine zu analysierende Probenflüssigkeit, über den das Trockenreagenz enthaltenden Endabschnitt auch in das Mikrofluidelement eingegeben wird und dabei das an der Kanalwand anhaftende Trockenreagenz rücklöst, weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Kanalbereich für die Eingabe der Flüssigkeitsmenge einen weiteren nach außen offenen Endabschnitt auf, der mit dem das Trockenreagenz enthaltenden Endabschnitt in Strömungsverbindung steht. Durch eine Betreibereinrichtung, an die das Mikrofluidelement hermetisch dicht angekoppelt wird, kann die Fluidmenge mittels pneumatischer Druckeinwirkung in den das Trockenreagenz aufweisenden Endabschnitt überführt werden, wo eine Rücklösung des Trockenreagenz erfolgt, z.B. unter Diffusion oder Hin- und Herbewegung der Fluidmenge.
  • Der das Trockenreagenz aufweisende Endabschnitt und der weitere Endabschnitt für die Eingabe der Flüssigkeitsmenge sind zweckmäßig jeweils durch eine Verengung des Kanalquerschnitts begrenzt. Die Verengung bildet bis zu einem Grenzdruck für Flüssigkeit eine Sperre, lässt aber Luft durch.
  • Bevorzugt sind die mit Flüssigkeit in Kontakt kommenden Oberflächen beider oder einer der Endabschnitte hydrophilisiert und weisen einen Kontaktwinkel zu Wasser < 60° auf, z.B. durch eine hydrophile Beschichtung oder durch eine Oberflächenbehandlung wie Corona- oder Plasmabehandlung oder durch eine Plasmapolymerisation, oder durch eine nass-chemische Behandlung.
  • Vorzugsweise sind der Endabschnitt und der weitere Endabschnitt jeweils als Kapillarkanal ausgebildet und insbesondere hydrophilisiert.
  • In einer Ausführungsform ist der Endabschnitt oder/und der weitere Endabschnitt in einem von einem im Wesentlichen plattenförmigen Grundkörper des Mikrofluidelements vorstehenden, insbesondere senkrecht vorstehenden, Ansatz gebildet. Ein solcher Ansatz erleichtert sowohl die Einbringung von Flüssigkeiten in die Endabschnitte als auch den Anschluss pneumatischer Transportdruckquellen.
  • Ein Endabschnitt mit hydrophiler Oberfläche kann eine durch Dispensieren oder Pipettieren eingebrachte Flüssigkeitsmenge, z.B. Probenmenge, durch Kapillarwirkung aufnehmen und so die mit der Umgebung in Kontakt stehende Oberfläche der Probenmenge unter Meidung von Verdunstungseffekten minieren.
  • Der Ansatz bzw. die Ansätze sind vorzugsweise einstückig mit einem von dem Grundkörper umfassten Substrat ausgebildet, so dass sich die Ansätze beim Spritzgießen des Substrats in einem Arbeitsgang mit dem Substrat herstellen lassen. Alternativ kann der Endabschnitt mit dem Trockenreagenz in einem separaten Trägerelement gebildet sein, das wenigstens teilweise den Ansatz bildet und mit dem Mikrofluidelement durch Kleben, Verschweißen oder/und eine Presspassung verbunden ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der das Trockenreagenz aufweisende Endabschnitt von außen durch eine aufbrechbare Folie oder eine gasdurchlässige, jedoch für Flüssigkeit undurchlässige Membran abgedeckt. Die aufbrechbare Folie schützt das Trockenreagenz vorteilhaft vor Feuchtigkeitseinflüssen bei der Lagerung des Mikrofluidelements. Der Vorteil der gasdurchlässigen Membran besteht in einer Begrenzung des Kanalbereichs, die den ungewollten Austritt von Flüssigkeit aus dem Kanalbereich verhindert.
  • Der Kanalbereich kann z.B. eine Kammer umfassen, die z.B. einen Detektions- oder/und Reaktionsbereich bildet, wobei zweckmäßig das Mikrofluidelement zumindest im Bereich der Kammer für optische Messungen transparent ist.
  • Zum Beispiel als separate Baueinheit ausgebildete Betreibereinrichtungen für das Mikrofluidelement umfassen zweckmäßig eine steuerbare, pneumatische Druckquelle zum Anschluss an den weiteren zur Aufnahme der Flüssigkeitsmenge vorgesehenen Endabschnitt und eine passive, einen geschlossenen Kompressionsraum umfassende Druckquelle zum Anschluss an den das Trockenreagenz aufweisenden Endabschnitt. In dem geschlossenen Raum der passiven Druckquelle wird eingeschlossene Luft bei Verschiebung der Flüssigkeitsmenge komprimiert.
  • Durch Steuerung des Drucks der steuerbaren Druckquelle größer als der jeweils aufgebaute Druck in dem geschlossen Kompressionsraum wird die Flüssigkeitsmenge zu dem Endabschnitt mit dem Trockenreagenz hin verschoben. Durch Konstantsteuerung des Drucks der steuerbaren Druckquelle kann die Flüssigkeitsmenge innerhalb des Kanalbereichs an einer von dem Druck abhängingen Stelle platziert werden. Auf diese Weise ist eine Hin- und Herbewegung der Flüssigkeitsmenge möglich, durch die eine Rücklösung und Durchmischung des Trockenreagenz mit der Flüssigkeitmenge gefördert wird.
  • Zweckmäßig weist die separate Betreibereinrichtung und ggf. das Mikrofluidelement Ventileinrichtungen zur drucklosen Abkopplung des Mikrofluidelements von der Betreibereinrichtung auf, die dafür sorgt, dass der Druck beider Druckquellen bei der Abkopplung auf Umgebungsdruck liegt.
  • Zweckmäßig umfassen die Betreibereinrichtungen einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung der jeweiligen Position der Flüssigkeitsmenge innerhalb des Kanalbereichs, z.B. einen Drucksensor.
  • Die genannten pneumatischen Druckquellen weisen zweckmäßig ein kappenartiges Anschlussstück auf, das über den den Endabschnitt enthaltenden Ansatz gestülpt werden kann und gasdicht, z.B. über einen O-Ring, an dem Mikrofluidelement anliegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flusszelle sind mehrere ein Trockenreagenz enthaltende Endabschnitte gebildet, in dem sich der Kanalbereich in mehrere, jeweils einen Endabschnitt mit einem Trockenreagenz enthaltene Kanalteile verzweigt.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 und 2
    eine erfindungsgemäße Flusszelle mit zwei unabhängig voneinander betreibbaren Funktionsbereichen,
    Fig. 3
    geschnittene Teilbereiche der Flusszelle von Fig. 1 und 2,
    Fig. 4
    eine die Funktion der Flusszelle von Fig. 1 bis 3 erläuternde Darstellung,
    Fig. 5 und 6
    Einrichtungen zur drucklosen Abkopplung der Flusszelle von Fig. 1 bis 3 von einer Betreibereinrichtung erläuternde Darstellungen,
    Fig. 7
    verschiedene Ausführungsformen eines ein Trockenreagenz enthaltenden Endabschnitts eines Kanalbereichs der Flusszelle von Fig. 1 bis 3, und
    Fig. 8 bis 10
    weitere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Flusszellen.
  • Ein in den Figuren 1 und 2 gezeigtes Mikrofluidelement umfasst einen plattenförmigen Grundkörper 1, von dem senkrecht Ansätze 2,2' und 3,3' vorstehen. Der Grundkörper 1 weist ein Substrat 4 auf, mit dem die Ansätze 2,2' und 3,3' einstückig verbunden sind. Auf ihrer den Ansätzen abgewandten Seite ist das Substrat 4 mit einer Folie 5 verklebt oder verschweißt. Das Substrat 1 mit den Ansätzen 2,2' und 3,3' ist spritzgegossen und besteht aus einem Kunststoff, vorzugsweise COC, COP, PMMA, PC, PS, PE, PP oder PEEK.
  • Die Folie 5 verschließt im Substrat gebildete Ausnehmungen, so dass innerhalb des Grundkörpers 1 eine in Fig. 2 sichtbare Hohlraumstruktur 6 für zwei unabhängig voneinander betreibbare Flusszellen gebildet ist.
  • Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine der Flusszellen mit den Ansätzen 2 und 2'.
  • Wie sich Fig. 3 entnehmen lässt, umfasst die Flusszelle einen Kanalbereich 7, der sich von einer Öffnung 8 durch den Ansatz 2, den Grundkörper 1 und den Ansatz 2' hindurch bis zu einer Öffnung 9 erstreckt. Der Kanalbereich 7 umfasst eine bezogen auf die Kanallänge etwa in der Mitte des Kanalbereichs angeordnete Kammer 10.
  • Sowohl der Ansatz 2 als auch der Ansatz 2' bilden jeweils einen Endabschnitt 11 bzw. 12 des Kanalbereichs 7. Wie Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, sind die Endabschnitte 11,12 jeweils durch eine Kanalverengung 14 bzw. 14' begrenzt. Beide Endabschnitte 11,12 weisen gemäß Fig. 3b jeweils eine bei 16 und 16' angedeutete Hydrophilisierungsschicht auf. Die Hydrophilisierungsschichten 16,16' sind in Fig. 3a sowie der folgenden Fig. 4 nicht dargestellt.
  • Fig. 3b zeigt einen Tropfen einer Reagenzflüssigkeit 13', die z.B. mit Hilfe einer Pipette in den Endabschnitt 12 des Kanalbereichs 7 einbringbar ist, wobei sie den Endabschnitt 12 bis zu der Verengung 14' ausfüllt. Im Zuge einer Trocknung der Reagenzflüssigkeit 13' setzt sich an der Kanalwand des Endabschnitts 12 ein in Fig. 4 gezeigtes Trockenreagenz 13 ab.
  • Gemäß Fig. 4 wird die mit dem Trockenreagenz 13 vorgefertigte Flusszelle von Fig. 1 bis 3 wie folgt verwendet:
    • Zum Beispiel mit Hilfe einer Pipette wird in den Endabschnitt 11 eine zu verarbeitende, z.B. zu analysierende, flüssige Probenmenge 15 eingegeben, welche den in dem
    • Beispiel als Kapillarkanal ausgebildeten Endabschnitt 11 bis zu der einen Kapillarstopp bildenden Kanalverengung 14 ausfüllt (Fig. 4b). Auf der Wandung des Endabschnitts 12 ist das Trockenreagenz 13 angetrocknet.
  • Eine Betreibereinrichtung umfasst eine steuerbare pneumatische Druckquelle mit einem kappenförmigen Anschlussstück 19, das über den Endabschnitt 11 gestülpt und gasdicht über einen O-Ring 20 an die Flusszelle angedrückt werden kann.
  • Ein zweites, über den Endabschnitt 12 stülpbares Anschlussstück 21 liegt über einen O-Ring 22 gasdicht gegen die Flusszelle an und bildet eine passive Druckquelle in Form eines geschlossenen Kompressionsraums.
  • Nach Ansetzen der Anschlussstücke 19,21 an die Flusszelle herrscht unter den kappenförmigen Anschlussstücken zunächst Atmosphärendruck. Durch Erhöhung des Drucks der steuerbaren Druckquelle kann die flüssige Probenmenge 15 z.B. bis in die Kammer 10 hinein verschoben (Fig. 4d) und dort positioniert werden, indem der Druck der steuerbaren Druckquelle nicht weiter erhöht wird und zwischen dem Druck der steuerbaren Druckquelle und dem Druck der passiven Druckquelle Gleichgewicht herrscht.
  • Gemäß Fig. 4e ist die Probenmenge 15 durch Erhöhung des Drucks der steuerbaren Druckquelle der Betreibereinrichtung über die Kammer 10 hinaus weiter verschoben und gemäß Fig. 4f in den Endabschnitt 12 des Kanalbereichs 7 gelangt, wo sie mit dem Trockenreagenz 13 in Kontakt kommt und das Trockenreagenz rücklöst. Durch entsprechende Steuerung des Drucks der steuerbaren Druckquelle kann die flüssige Probenmenge mit dem rückgelösten Trockenreagenz zwischen der in Fig. 4f und der in Fig. 4g gezeigten Position hin und her verschoben werden, wobei der Transport um die 90°-Abbiegung des Kanalbereichs 7 nahe dem Endabschnitt 12 für eine intensive Durchmischung der Flüssigkeit 15 mit dem Reagenz sorgt.
  • In der in Fig. 4h gezeigten Position befindet sich die flüssige Probenmenge mit dem rückgelösten Reagenz in der Kammer 10, wobei durch das in dem Beispiel transparente Substrat 4 oder/und die Folie 5 hindurch eine optische Untersuchung der flüssigen Probenmenge erfolgen kann. Optische Messungen sind auch bereits in der in Fig. 4d gezeigten Position der flüssigen Probenmenge möglich. Durch solche Zweifachmessungen können vorteilhaft das optische Signal beeinflussende Effekte, wie Transparenz- oder Autofluoreszenz der im Detektionsbereich angeordneten Materialien der Flusszelle von Substrat und Folie aus dem optischen Signal durch Differenzbildung herausgerechnet werden.
  • Durch Senkung des Drucks der steuerbaren Druckquellen auf Atmosphärendruck lässt sich die Probenflüssigkeit aus der Kammer 10 wieder zurück in ihre Ausgangsposition befördern und die Flusszelle drucklos von der Betreibereinrichtung abkoppeln.
  • Zur Vorfertigung der Flusszelle mit dem Trockenreagenz wird in den Endabschnitt 12 des Kanalbereichs 7, z.B. mittels einer Pipette, eine Reagenzflüssigkeit eingegeben, wobei die Verengung 14' verhindert, dass der Kanalbereich 7 über den Endabschnitt 12 hinaus benetzt wird.
  • In einem anschließenden Trocknungsschritt bei Raumtemperatur, Temperierung oder Gefriertrocknung verdunstet der Flüssigkeitsanteil und Trockenreagenz setzt sich an der Wand des Endabschnitts 12 ab. Es versteht sich, dass die getrocknete Reagenzmenge den Kanalbereich 7 nicht blockiert und durch die Öffnung 9 noch Luft austreten kann.
  • Es ist daher hilfreich, die Innenfläche des Endabschnitts 12 z.B. mit axialen Nuten oder sternförmig gemäß Fig. 5 auszubilden, wobei durch Kapillarwirkung das Reagenz bevorzugt im Bereich der Nuten und nicht im Zentrum des Endabschnitts 12 antrocknet.
  • Fig. 6 zeigt eine Modifikation der Betreibereinrichtung, die eine Strömungsverbindung zwischen den Anschlussstücken 19 und 21 mit einem Ventil 23 vorsieht.
  • Wenn die Probenmenge in der Kammer 10 festgehalten wird, herrscht an beiden Enden des Kanalbereichs 7 der gleiche Überdruck. Öffnen des Ventils 23 führt daher zu keiner Verschiebung der Probenmenge. Der Druck der Druckquellen kann nun gleichzeitig an beiden Enden des Kanalbereichs 7 auf Atmosphärendruck gesenkt und die Flusszelle druckfrei von der Betreibereinrichtung abgekoppelt werden.
  • Vorteilhaft verbleibt die Probenmenge innerhalb der abgekoppelten Flusszelle an Ort und Stelle innerhalb der Kammer 10, so dass die Flusszelle zur Einhaltung und Durchführung von Inkubationsprozessen zwischen optischen Messungen nicht im Betreibergerät verbleiben muss, was insbesondere bei langen Inkubationszeiten von großem Vorteil ist.
  • Alternativ zu der Verbindungsleitung zwischen den beiden Druckquellen kann die Betreibereinrichtung zwei Ventile 24 und 25 aufweisen, die die jeweiligen Druckquellen mit der Umgebungsatmosphäre verbinden (Fig. 7), so dass auch in diesem Fall die in der Kammer 10 positionierte Probenmenge in der Kammer 10 verbleibt, wenn die Ventile 24 und 25 gleichzeitig unter gleicher Druckabnahme in den Anschlussräumen erfolgt. Die Ventile 24,25 können auf unterschiedliche Weise gebildet sein, z.B. als Pneumatikventile. Bei den Ventilen kann es sich aber auch um mechanisch geschaltete Ventile als Teil der Flusszelle handeln, wobei von Kanülen der Betreibereinrichtung durchstechbare Membranen oder Septen der Flusszelle in Betracht kommen. Die steuerbare Druckquelle der Betreibereinrichtung kann eine mechanische Pumpe in Verbindung mit einer pneumatischen Schnittstelle aufweisen. Eine Pumpe kann auch als Teil der Flusszelle ausgebildet sein, z.B. als mechanisches Blisterpumpvolumen oder nach dem Peristaltikprinzip.
  • Als passive Druckquelle käme auch ein durch die Flusszelle selbst gebildetes geschlossenes Volumen in Betracht oder eine separate, mit der Flusszelle verbindbare Kammer, die keinen Bestandteil einer Betreibereinrichtung bildet.
  • In den den Endabschnitt 12 zeigenden Fig. 8a bis 8e betrifft Fig. 8a eine die Öffnung 9 des Abschnitts 12 verschließende Folie 26. Diese aus Kunststoff oder Aluminium bestehende Folie 26 kann nach Einbringen der Reagenzflüssigkeit oder nach der Trocknung durch Verkleben oder Verschweißen angebracht werden, um das Reagenz vor Umwelteinflüssen, insbesondere Luftfeuchtigkeit, zu schützen.
  • Abweichend hiervon kann die Folie 26 dazu dienen, die Öffnung 9 während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Flusszelle zu verwenden, um mit Hilfe der Folie eine passive Druckquelle zu bilden.
  • Fig. 8b zeigt eine die Öffnung 9 abdeckende poröse Membran 27, welche zwar Luft aber (bis zu einem bestimmten Druck) keine Flüssigkeit durchlässt. Typische Porengrößen liegen im Bereich von 0,1 ― 10 µm. Entsprechend kann ein bestimmungsgemäßer Gebrauch der Flusszelle unter Verwendung der Membran 27 erfolgen. Versehentliches Austreten von Probenflüssigkeit durch die Öffnung 9 hindurch wird vorteilhaft vermieden.
  • Fig. 8c zeigt eine Ausführungsform mit einem separaten Träger 28 für ein Trockenreagenz. Der spritzgegossene Träger aus Kunststoff mit einer hydrophilisierten, mit Trockenreagenz beschichteten Durchgangsöffnung kann mit der Flusszelle durch Verklebung, Verschweißung oder Presspassung verbunden sein, wobei die Durchgangsöffnung einen Endabschnitt 12 eines Kanalbereichs 7 bildet. Bei einer Kontaktierung des Trockenreagenz kann die Probenflüssigkeit den Bereich des Trockenreagenz über dessen Ende hinaus überströmen, ohne aus dem Kanalbereich auszutreten, was die Durchmischung der Probenflüssigkeit mit dem Reagenz fördert. Ferner ist die Aufbringung der Trockensubstanz auf den bequem handhabbaren Träger 28 leichter als das direkte Aufbringen auf einen Ansatz am Grundkörper der Flusszelle.
  • Fig. 8d zeigt einen separaten Träger 28', der plattenförmig mit mehreren Durchgangslöchern zur Aufnahme mehrerer gleicher oder ungleicher Trockenreagenzien vorgesehen ist. Mindestens zwei der Endabschnitte bildende Durchgangslöcher können unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
  • Ein in Fig. 8e gezeigter separater Träger 28" unterscheidet sich von dem Träger 28' dadurch, dass ein Überlaufvolumen 29 gebildet und die Öffnung 9 der Endabschnitte 12 entsprechend erweitert ist.
  • Fig. 9 zeigt eine Flusszelle, die sich von der vorangehend beschriebenen Flusszelle dadurch unterscheidet, dass ein Kanalbereich 7 einen einzigen Eingabeabschnitt 11 zur Aufnahme zu verarbeitender Flüssigkeit und mehrere Endabschnitte 12 mit einem Trockenreagenz aufweist, wobei Teile des Kanalbereichs 7 jeweils zumindest eine Kammer, z.B. Detektionskammer, zur Analyse, aufweisen.
  • In dem gezeigten Beispiel wird eine definierte Probenflüssigkeitsmenge in acht Fraktionen geteilt und acht Endabschnitten 12 mit einem Trockenreagenz zugeleitet, wobei sich die Trockenreagenzien von Endabschnitt zu Endabschnitt unterscheiden können. Durchmischung und Verarbeitung bzw. Analyse der Fraktionen erfolgen getrennt voneinander. Die Ausgestaltung der Endabschnitte 12 bzw. des Eingabeabschnitts 11 können wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel ausgeführt und z.B. in der vorangehend beschriebenen Weise hydrophilisiert sein.
  • In dem gezeigten Beispiel weisen Analyse-/Detektionsbereiche bildende Kammern 10 identische Volumen auf.
  • Die Flusszelle von Fig. 9 lässt sich wie die vorangehend beschriebenen Flusszellen verwenden. Um Probenflüssigkeit nach der Analyse in den Kammern im abgekoppelten Zustand von einer Betreibereinrichtung zu platzieren, sind acht Verbindungsleitungen und Ventile erforderlich.
  • Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Manifolds als Teil einer mit der Flusszelle von Fig. 9 verbindbaren Betreibereinrichtung mit zwei verschweißten Platten, zwischen denen Pneumatikkanäle gebildet sind, die Druckquellen verbinden.
  • Die der Flusszelle zugewandte Platte weist ein dem obengenannten Anschlussstück 19 entsprechendes Anschlussstück und acht Anschlussstücke gemäß obengenanntem Anschlussstück 21 auf, welche mittels einer Dichtung oder von O-Ringen hermetisch dicht mit der Flusszelle verbunden werden. Nach der Verbindung bilden Flusszelle und Manifold einen geschlossenen pneumatischen Kreislauf.
  • Die der Flusszelle abgewandten Platte weist eine aktive Druckquelle 30 einschließlich eines Drucksensors, ein Pneumatikventil 31 zur Verbindung der aktiven Druckquelle mit der Umgebung und acht Pneumatikventile 32 auf, welche über zwischen den Platten angeordnete pneumatische Verbindungskanäle 33 die aktive Druckquelle 30 mit den acht passiven Druckquellen verbinden oder voneinander trennen. Die passiven Druckquellen werden gebildet aus der Summe der Volumina der Pneumatikkanalbereiche zwischen den geschlossenen Ventilen 32 und den Anschlussstücken 21, dem Volumen gebildet zwischen den Ansätzen 21 des Manifolds und den Ansätze 2' der Flusszelle und den Kanalvolumen 7 der Flusszelle zwischen der eingebrachten Probenflüssigkeit und dem Endabschnitt 12.
  • Eine in Abschnitt 11 der Flusszelle von Fig. 9 eingebrachte Flüssigkeitsmenge wird nach Verbinden der Flusszelle mit dem Manifold durch Druckbeaufschlagung mittels der aktiven Druckquelle 30 bei geschlossenen Ventilen 31 und 32 wie in Fig. 4 gezeigt in Richtung der Endabschnitte 12 verschoben und aufgrund der acht im Wesentlichen gleich großen passiven Druckquellen in acht im Wesentlichen gleich große Fraktionen aufgeteilt. Nach dem Rücklösen der Trockenreagenzien und der Positionierung der Reaktionsgemische in den acht Detektionskammern 10 befinden sich die getrennten aktiven und passiven Druckquellen auf dem gleichen Druckniveau. Anschließend werden alle Druckquellen durch gleichzeitiges Öffnen der acht Ventile 32 miteinander verbunden ohne das auf die Flüssigkeit in der Detektionskammer stromaufwärts und stromabwärts wirkende Druckniveau im Wesentlichen zu verändern. Ein bevorzugt langsames Öffnen des Ventils 31 wird das Druckniveau auf den Umgebungsdruck abgesenkt, um das Manifold von der Flusszelle druckfrei trennen zu können, wobei nach der Trennung die acht Flüssigkeitsfraktionen in den acht Detektionsbereichen verbleiben.

Claims (15)

  1. Mikrofluidelement, insbesondere Flusszelle, zur Verarbeitung einer in einem Kanalbereich (7) des Mikrofluidelementszu transportierenden Flüssigkeitsmenge (15), die mit einem in das Mikrofluidelement integrierten, in dem Kanalbereich angeordneten Trockenreagenz (13) in Kontakt kommt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trockenreagenz (13) in einem nach außen offenen Endabschnitt (12) des Kanalbereichs (7) angeordnet ist.
  2. Mikrofluidelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kanalbereich (7) einen mit dem Endabschnitt (7) in Strömungsverbindung stehenden weiteren nach außen offenen Endabschnitt (11) zur Eingabe der Flüssigkeitsmenge (15) in das Mikrofluidelement aufweist.
  3. Mikrofluidelement nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Endabschnitt (12) und/oderder weitere Endabschnitt (11) nach innen jeweils durch eine Verengung (14,14') des Kanalquerschnitts begrenzt sind, wobei vorzugsweise die Verengung (14,14') für Luft durchlässig, für Flüssigkeit unter Umgebungsdruck aber undurchlässig ist.
  4. Mikrofluidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Endabschnitt (12) oder/und der weitere Endabschnitt (11) des Kanalbereichs (7) als Kapillarkanal ausgebildet und vorzugsweise hydrophobiert ist.
  5. Mikrofluidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Endabschnitt (12) oder/und der weitere Endabschnitt (11) in einem von einem Grundkörper (1) des Mikrofluidelements vorstehenden, insbesondere senkrecht vorstehenden, Ansatz (2,2') gebildet ist.
  6. Mikrofluidelement nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ansatz (2,2') einstückig mit einem von dem Grundkörper (1) umfassten Substrat (4) ausgebildet ist oder dass der Endabschnitt (12) mit dem Trockenreagenz (13) in einem separaten Trägerelement (28,29,30) gebildet ist, das wenigstens teilweise den Ansatz (2') bildet und mit dem Mikrofluidelement durch Verklebung, Verschweißung oder/und Presspassung verbunden ist.
  7. Mikrofluidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Endabschnitt (12) von außen durch eine aufbrechbare Folie oder eine gasdurchlässige, jedoch für Flüssigkeit undurchlässige Membran abgedeckt ist.
  8. Mikrofluidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kanalbereich (7) wenigstens eine Kammer (10), z.B. zur Bildung eines Detektions- oder/und Reaktionsbereichs, aufweist, wobei vorzugsweise das Mikrofluidelement zumindest im Bereich der Kammer (10) für optische Messungen zumindest teilweise transparent ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Mikrofluidelements, insbesondere einer Flusszelle, mit integriertem Trockenreagenz (13),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trockenreagenz (13) in einem nach außen offenen Endabschnitt (12) eines Kanalbereichs (7) angeordnet und der Endabschnitt (12) durch einen von einem Grundkörper (1) des Mikrofluidelements vorstehenden Ansatz (2,2') gebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in den vorzugsweise als Kapillarkanal ausgebildeten Endabschnitt (12) von außen Reagenzflüssigkeit eingefüllt und anschließend eine Trocknung unter Anhaftung von Trockenreagenz an der Kanalwand erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Endabschnitt (12) abschließend durch eine aufbrechbare Folie abgedeckt wird.
  12. Kombination eines Mikrofluidelements, insbesondere einer Flusszelle, nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit Einrichtungen zum Betreiben des Mikrofluidelements, die eine steuerbare Druckquelle zum Anschluss an den weiteren, zur Aufnahme der Flüssigkeitsmenge vorgesehenen Endabschnitts (11) und eine passive, einen geschlossenen Kompressionsraum umfassende Druckquelle zum Anschluss an den das Trockenreagenz (13) aufweisenden Endabschnitt (12) aufweisen.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durch Betreibereinrichtungen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mit dem weiteren Endabschnitt (11) des Kanalbereichs (7) des Mikrofluidelements eine steuerbare Druckquelle und mit dem das Trockenreagenz enthaltenden Endabschnitt (12) des Mikrofluidelements eine passive Druckquelle verbunden wird und dass eine in den weiteren Endabschnitt (11) eingegebene Flüssigkeitsmenge (15) durch die steuerbare Druckquelle gegen den ansteigenden Druck der passiven Druckquelle in den das Trockenreagenz enthaltenden Endabschnitt (12) verschoben wird, um das Trockenreagenz zu lösen.
  14. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Druck der steuerbaren Druckquelle konstant gehalten wird, um die Flüssigkeitsmenge, ggf. mit rückgelöstem Reagenz, innerhalb des Kanalbereichs (7) bei Druckgleichgewicht zwischen den Druckquellen in einer gewünschten, von dem konstanten Druck abhängigen Position festzuhalten.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Abkopplung des Mikrofluidelements von den Betreibereinrichtungen der Druck der Druckquellen unter Beibehaltung des Druckgleichgewichst auf Atmosphärendruck abgesenkt wird, und vorzugsweise die Flüssigkeitsmenge nach der Rücklösung des Trockenreagenz in einem Detektionsbereich positioniert wird.
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