EP4543590A1 - Mikrofluidiksystem mit ionenaustauscher-mischbettharz - Google Patents

Mikrofluidiksystem mit ionenaustauscher-mischbettharz

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Publication number
EP4543590A1
EP4543590A1 EP23733679.7A EP23733679A EP4543590A1 EP 4543590 A1 EP4543590 A1 EP 4543590A1 EP 23733679 A EP23733679 A EP 23733679A EP 4543590 A1 EP4543590 A1 EP 4543590A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow channel
cartridge
fluid medium
ion exchange
film
Prior art date
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Pending
Application number
EP23733679.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Laermer
Britta SCHULZE
Janik Kaercher
Samir KADIC
Tianxing Du
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4543590A1 publication Critical patent/EP4543590A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D15/00—Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
    • B01D15/08—Selective adsorption, e.g. chromatography
    • B01D15/26—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the separation mechanism
    • B01D15/36—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by the separation mechanism involving ionic interaction, e.g. ion-exchange, ion-pair, ion-suppression or ion-exclusion
    • B01D15/361—Ion-exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J47/00—Ion-exchange processes in general; Apparatus therefor
    • B01J47/02—Column or bed processes
    • B01J47/04—Mixed-bed processes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/405—Concentrating samples by adsorption or absorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
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    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic system with an ion exchange mixed bed resin, a method for producing a cartridge based on the system, the cartridge itself and a method for reducing an ion concentration of a salt or a contaminating compound in a fluid medium containing macromolecular compounds and/or has cellular structures.
  • An ion concentration can be reduced, for example, through dilution steps.
  • a correspondingly high initial volume of the diluent must be expected. This can lead to space problems, among other things, because sufficient amounts of a corresponding clean diluent have to be stored upstream and reagents that have already been used have to be collected in waste compartments.
  • a dilution has no selectivity towards individual ion types and the actual analyte is also diluted, if necessary to below the detection limit of the detection method used.
  • optimal mixing or homogenization must be ensured during dilution steps in order to avoid concentration gradients.
  • dialysis filters Another way to adjust the ion concentration is to use dialysis filters. These have a certain selectivity in terms of ion size, but their universality is very limited in their possibilities.
  • the use of dialysis filters is a diffusion-driven process that depends on the concentration gradient of the compartments separated by the dialysis membrane. Time is therefore a limiting factor. This is particularly the case in large sample volumes or systems with large characteristic dimensions L, because the diffusion time of a molecule scales with the square of L
  • the lower limit of deionization is defined by an equilibrium adjustment of the ion concentration in the compartments.
  • the concentration gradient can be maintained through regular use of fresh liquids, but the amount of fresh reagents that can be stored is limited in miniaturized lab-on-chip systems.
  • integration and handling represent a challenge, as a microfluidic system specifically designed for this purpose is required.
  • the use in miniaturized microfluidic systems also impairs effectiveness due to the unfavorable surface-to-volume ratio.
  • the use in disposable cartridges would also increase production costs and would not be economically viable.
  • Capacitive deionization is another method for deionizing water, in which an electrical potential difference is generated by two electrodes.
  • CDI Capacitive deionization
  • ion exchange mixed-bed resins are integrated into desalination cartridges, where tap water flows through them in order to deionize it. If their ionan exchange capacity is exhausted, the desalination cartridges can be replaced or regenerated.
  • the ion exchange material usually consists of porous polystyrene beads, which are functionalized with a wide variety of ion exchange groups. can be checked. These have an average diameter of approximately 0.6 mm, with each bead containing either an anion or
  • Has cation exchange function
  • Anion exchange columns are also known from the purification of DNA-containing solutions, which bind the DNA contained in the solution to anion exchange gels, with the remaining solution passing through the anion exchange gel in a centrifugation step.
  • the DNA bound to the anion exchanger can be washed and then eluted again from the column material. However, this specifically isolates the DNA from the solution and not the contaminating salts or ions.
  • the publication DE 10 2008 000 369 A1 discloses an integration of a sample preparation into a microfluidic device.
  • the device can have a preparation substance on one side of a mass transfer membrane.
  • the preparation substance may include an ion exchanger for desalting the sample because excessive salt concentration may be undesirable for a separation process following the preparation.
  • the device may be configured to prepare a biological sample containing DNA, proteins, enzymes, cells, bacteria or viruses.
  • the publication WO 00/71243 A1 discloses the use of microfluidic systems that use microsphere matrices to detect target analytes.
  • the target analyte can be a nucleic acid.
  • a device described may have a separation module that is designed to separate impurities that affect the analysis of the target analyte.
  • the separation module can contain ion exchange materials as separation media.
  • the document DE 102013201 505 A1 discloses a device for extracting dry body fluids in a sample, a cartridge and a method for extracting the body fluid.
  • the device is designed as a lab-on-chip system and can have a filter or a purification device for the material extracted from the sample Have body fluid.
  • the purification device can be an ion exchanger.
  • the publication DE 100 46 069 A1 describes a method and microfluidic elements for micro-polynucleotide synthesis.
  • the microfluidic elements used can include sections in which ion exchange resins are present, which enables direct separation of products from reagents.
  • An ion exchanger is provided to provide a separation process in the presence of polynucleotides.
  • the task is to reduce the concentration of ions and certain types of ions in an electrolyte in a defined manner.
  • the invention is intended to enable deionization for an application with limited process volumes, such as. B. can be handled in microfluidic systems.
  • the invention aims to gently deionize fluid media containing macromolecular compounds and/or cellular structures, such as those found in biotechnology or chemistry.
  • microfluidic system according to claim 1, a method for producing a cartridge according to claim 11, a cartridge according to claim 14 and a method for reducing the ion concentration of a salt or a contaminating compound of a fluid containing macromolecular compounds and/or cellular structures Medium according to claim 15.
  • a first aspect of the invention relates to a microfluidic system with a housing and at least one flow channel formed within the housing, wherein at least one body which has an ion exchange mixed bed resin is arranged in at least a portion of the flow channel, and at least the flow channel made of a porous material is designed, whereby the ion exchanger Mixed bed resin is provided by its anion and cation exchange properties for reducing the ion concentration of a salt or a contaminating compound of a fluid medium containing macromolecular compounds and / or cellular structures.
  • the fluid medium can be, for example, a solution or a suspension.
  • the fluid medium can in particular be a sample to be examined in which a specific analyte, such as a diagnostic marker, is to be detected.
  • the macromolecular compounds can be, for example, nucleic acids and/or proteins.
  • the invention solves the problem described above advantageously because the arrangement of an ion exchange mixed bed resin enables a comparatively high ratio of deionization or ion binding surface to total volume, which means that an ion concentration can be reduced in a space-saving manner. Furthermore, it is advantageous that a sample does not have to be diluted, so that large volumes of diluent do not have to be provided to save space. In addition, the sensitivity of subsequent detection methods is not influenced by excessive dilution of the sample.
  • the invention is advantageous because no minimum ion concentration is necessary to achieve equilibrium.
  • a lower concentration limit can be set to virtually any depth and only depends on the volume of the ion exchange mixed bed resin (or the available ion exchange groups). This means that ion concentrations can be achieved that are similar to those of deionized water.
  • a selectivity or affinity of the ion exchange mixed bed resin towards different types of ions can advantageously be controlled by functionalizing the ion exchange mixed bed resin with suitable surface groups. Changing the ratio of anion exchangers to cation exchangers can also further increase selectivity. Furthermore, the invention advantageously enables gentle deionization of the fluid medium without impairing or destroying the actual analyte in the fluid medium. No aggressive chemicals or high pressures are necessary (e.g. for precipitation or extraction methods), which can degenerate system components or contaminate and negatively influence subsequent process steps.
  • the invention can be implemented without great technical effort and thereby enables universal integration into microfluidic systems.
  • the amount of mixed bed resin used can be scaled as desired with the size of the microfluidic system or with the fluid to be deionized (conductivity and volume).
  • deionize is used here to mean that an ion concentration of a salt or a contaminating compound in a fluid medium or solution is significantly reduced. Ideally, the ion concentration in question is reduced to zero. However, this term does not include the removal of macromolecular compounds (macromolecules) from the solution, which can also be present as ions and which are precisely desired, i.e. which should be freed from salt ions and contaminating compounds.
  • the terms “deionize” or “deionization” are used here synonymously with “reduce” or “reduction” in relation to the ion concentration.
  • the body is arranged in such a way that the fluid medium can flow around it as it flows through the flow channel.
  • the greatest possible contact between the surface of the body and the medium is made possible.
  • ions from the medium are efficiently bound to the body.
  • a number of bodies are arranged in the flow channel, thereby providing more surface area for interaction with ions in a sample.
  • the body or bodies are provided, for example, in the form of small particles, for example as spheres or beads.
  • the bodies can also have such small dimensions that they are provided as powder. This can be achieved due to its larger surface area Further increase the efficiency of reducing the ion concentration.
  • as a fine suspension it can also be moved using microfluidics after being absorbed into a fluid.
  • the body preferably consists of an ion exchange IM bed resin.
  • the body is made entirely of one material, namely the mixed-bed ion exchange resin, which is not mixed with other materials.
  • a material can advantageously be provided from which the body or bodies can be manufactured. This increases the efficiency of production and the efficiency of interaction with the ions in the fluid medium.
  • At least the flow channel of the system according to the invention is made of a porous material, preferably a porous polymeric material.
  • a porous material preferably a porous polymeric material.
  • the porous material can be passed through by the fluid medium and small ions such as ions of dissolved salts, but not by a body or with an ion exchange mixed bed resin as well as by macromolecular compounds such as biomolecules such as proteins, nucleic acids or cells with salt ions only slowly. Pore sizes of 3000 to 5000 Daltons are therefore suitable to ensure this selective permeability.
  • This offers another important advantage, particularly in the case of a fluid medium that has an analyte in the form of a biomolecule such as a nucleic acid.
  • the porous material of the flow channel allows the fluid medium to be deionized without loss of charged biomolecules by binding the biomolecules to the ion exchange mixed bed resin. This is particularly advantageous when processing patient samples in diagnostics, since the sample material contained therein, in particular the diagnostic markers sought, is severely limited, so that further loss of sample material could prevent the successful detection of the markers sought.
  • the body is embedded in at least part of the material that forms the flow channel. In other words, the body is immobilized in the material.
  • the body can be introduced into intended cavities in the material and connected there, for example, to the material. This can be carried out, for example, during the manufacturing process of the material, for example by introducing it into the material during an injection molding process or by applying and pressing it into the still soft polymer.
  • polymeric porous material is arranged with the body in the flow channel in such a way that the fluid medium can flow through it.
  • the material is arranged transversely to the flow direction of the fluid medium in the flow channel.
  • the material can be imagined in the form of a precisely fitting porous frit (or a filter) which is arranged in the flow channel.
  • the thickness of the frit can be chosen arbitrarily, with a higher thickness being associated with better deionization efficiency, since the ions dissolved in the fluid have longer time to interact with the ion exchange material as they travel through the frit. The thickness is limited by the pressure that the microfluidic system can apply to move the fluid.
  • the body itself can be designed as a frit.
  • the material with the body is arranged in the flow channel in such a way that the fluid medium can flow tangentially against it.
  • the inner surface of the flow channel is lined with the material. The material is then largely flowed through tangentially and no longer flows through completely, as is the case with the frit. Thus, it offers lower resistance.
  • the efficiency of reducing the ion concentration can be improved by sufficiently long incubation times.
  • the body itself may form the lining material.
  • a film-like device made of a polymeric porous material is preferably arranged in the area of the flow channel. Film-like means here that the device has a flat design and is significantly larger in height and width than in thickness. The film-like device is referred to below as a film for short.
  • the film can be provided from the same material as the surroundings of the flow channel or from a different polymeric material.
  • the film is particularly advantageously arranged transversely to the flow direction in the flow channel in order to intercept bodies made of or containing mixed-bed ion exchange resin in the fluid medium.
  • the bodies are stored in a carrier liquid and flushed into the system at the desired time. By contacting the bodies with the fluid medium, the ion concentration in the medium is reduced. After passing through the film, the medium has fewer ions and no bodies.
  • the foil represents the effective reduction volume.
  • the film is functionalized with ion exchange groups.
  • the body or a number of bodies is arranged in the film.
  • the ion exchange mixed bed resin itself can also be provided as a film, i.e. in a thin, porous form.
  • the formation of a film with bodies or the body as a film is advantageous because it can be prefabricated as a single part and fitted into a specific microfluidic system.
  • the film is then arranged within the flow channel, like the carrier material described above, transversely to the direction of flow, so that it can be flowed through alone or with another carrier material, or on an inside of the flow channel.
  • the effective reduction volume corresponds to the volume of film flowed through or tangentially flowed against.
  • a first flow channel and a second flow channel are formed within the housing, which are in fluid communication with one another.
  • a film is preferably arranged between the flow paths, which forms a semi-permeable boundary between the first and second flow channels.
  • Embodiments of the film are suitable in which no bodies are integrated, which are then particularly suitable for intercepting bodies from the fluid medium.
  • embodiments of the film which have bodies which are intended to bind salt ions from the fluid medium are also suitable.
  • the effective reduction volume corresponds to the volume of film flowed through.
  • the fluid connection can also be designed as a constriction between the two flow channels, at which the bodies can be immobilized. In any case, it is provided that the fluid medium is introduced into the first flow channel and discharged from the second flow channel with a significantly reduced ion concentration.
  • a second aspect of the invention relates to a method for producing a cartridge comprising a system according to the invention, with the steps:
  • the body is provided with the layers forming the flow channel.
  • the body can be integrated into the material, i.e. mixed into the material during the production of the corresponding layers, for example by an injection molding process, or into it soft material sinks in.
  • depressions for example recesses in various geometric shapes, which accommodate the bodies can be formed in the corresponding layers.
  • a film made of a polymeric material is particularly preferably provided in the process.
  • the foil has been described above.
  • the film can consist of the same polymeric material as the layers or have a different polymeric material.
  • the film can, for example, have or consist of an ion exchange mixed-bed resin.
  • the film is preferably arranged in the flow channel transversely to the flow path of the fluid medium.
  • the film can also be arranged along the flow channel. The film enables bodies to be arranged after the cartridge has actually been manufactured, so that the cartridge can be made from layers to save effort without integrating the bodies into the layers.
  • a third aspect of the invention relates to a cartridge for reducing the ion concentration of a salt or a contaminating compound of a fluid medium containing macromolecular compounds and/or cellular structures, produced by a method according to the invention according to the second aspect of the invention.
  • the advantages of the cartridge correspond to the advantages of the method according to the invention.
  • the cartridge can be provided, for example, as a so-called lab-on-chip cartridge and used in the development of biological or molecular biological tests and procedures.
  • a fourth aspect of the invention relates to a method for reducing the ion concentration of a salt or a contaminating compound of macromolecular compounds and/or cellular structures having fluid medium by means of a cartridge according to the invention, with the steps:
  • the method advantageously enables reducing the ion concentration of a salt or a contaminating compound in biological and chemical samples on a micro and nanoliter scale.
  • the desired level of reducing the ion concentration of the fluid medium is controlled by the amount of mixed bed ion exchange resin used and/or by selection of the ion exchange groups in the mixed bed ion exchange resin.
  • a cartridge can advantageously be used for a specific fluid medium to be reduced.
  • a cartridge can also be used according to a specific goal, e.g. if a particular purity of the fluid medium of salt ions is necessary for a specific application, or if, alternatively, certain ions are to be removed.
  • Selective reduction can be controlled to a certain extent by processing different ion groups during the manufacturing process.
  • the proportion of anion exchangers and cation exchangers in the mixed bed resin can be adjusted.
  • the surface available for ion exchange is also crucial and can be adapted to the respective application.
  • the desired level of reducing the ion concentration of the fluid medium is controlled by the duration of incubation of the fluid medium in the flow channel. If you incubate the fluid containing the ions, Static with the mixed bed resin, i.e. without adjusting a flow, reducing the ion concentration is a purely diffusion-driven process. If you know the diffusion coefficients of the desired or unwanted ions, you can use the time factor to exert a further influence on the selectivity of the process.
  • a deionized solution can also be transported to liquid or powdered ions in order to absorb them back into the fluid.
  • Figure 1 shows a cartridge according to an embodiment of the invention with a flow channel.
  • Figure 2 shows a cartridge according to an embodiment of the invention with two flow channels.
  • Figure 3 shows a schematic representation of bodies made of ion exchange mixed bed resin.
  • Figure 4 is a schematic representation of an arrangement of the bodies according to Figure 3 in a layer of the cartridge.
  • Figure 5 is a schematic representation of an arrangement of the bodies in the surface of a flow channel of the cartridge.
  • Figure 6 is a schematic representation of cavities in the surface of a flow channel in various forms.
  • Figure 7 is a schematic representation of a flow channel with a frit arranged therein with or made of ion exchange mixed bed resin.
  • Figure 8 is a schematic representation of a flow channel with bodies made of ion exchange mixed bed resin arranged in the material of the flow channel formation.
  • Figure 9 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention for producing a cartridge.
  • Figure 11 shows the production of a film functionalized with ion exchange mixed bed resin.
  • Figure 12 shows a cartridge with two flow channels and a film functionalized with ion exchange mixed bed resin.
  • Figure 13 shows a cartridge with a flow channel and a film functionalized with ion exchange mixed bed resin.
  • Figure 14 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention for reducing an ion concentration using a cartridge.
  • a cartridge 10 is shown, which is designed as a cartridge 11 with a flow channel 20.
  • the cartridge 11 has four layers 30, namely a first layer 31, a second layer 32, a third layer 33 and a fourth layer 34.
  • the flow channel 20 is formed by the second layer 32 and the third layer 33.
  • the material of the layers 30 is particularly a porous polymer such as polycarbonate; other suitable polymeric materials can also be used.
  • the pore size of the material should therefore be defined so that an ion exchange mixed bed resin in powder form or as beads, as well as biomolecules such as proteins, nucleic acids or cells, cannot pass into or through the material or can only pass slowly compared to salt ions. However, smaller molecules such as dissolved salts should be able to pass through the material.
  • FIG. 2 shows a cartridge 10, which is designed as a cartridge 12 with a first flow channel 21 and a second flow channel 22.
  • the number of layers 30 in the layer-like structure corresponds to that of the cartridge 11 according to FIG. 1.
  • the first layer 31 and the third layer 33 each have different material thicknesses in sections, so that they are in the Sections with a smaller thickness enable the formation of the first 21 or second flow channel 22.
  • the first flow channel 21 and the second flow channel 22 are connected by a fluid connection 23.
  • the fluid connection is provided through a tunnel in the second layer 32.
  • the fluid connection 23 enables at least a flow of a liquid; it can be designed as a narrow point so that bodies in the liquid cannot get through, or it can be intended for arranging a film.
  • the cartridge 10 is intended to reduce a concentration of salt ions and/or ions of contaminating compounds in an ionic liquid.
  • the ionic liquid can also be referred to as an ionic solution or a fluid medium and particularly has macromolecular compounds and/or cellular structures.
  • bodies 40 are used which have a mixed-bed ion exchange resin or, in a preferred embodiment, consist of the mixed-bed ion exchange resin.
  • the functionalization is stationary/immobilized and, together with the resin matrix, forms the framework of the body.
  • Ion exchangers can be functionalized with a wide variety of ions.
  • the counterions serve to ensure the ion exchange function.
  • the functional groups In order for the bodies to have an ion exchange function, the functional groups must be loaded with (very) mobile ions.
  • the cation exchanger must have a cation, and the anion exchanger must be loaded with an anion.
  • Anions and cations can also be functionalized on a body.
  • the resin used as the carrier material is particularly a porous polystyrene, although other suitable polymers can also be used.
  • the bodies 40 are provided in an approximately spherical shape (preferably spherical) and have a diameter of 0.1 mm - 1.2 mm.
  • the bodies 40 can also be further comminuted mechanically, for example by grinding, until they are powdery. This embodiment is particularly suitable for use in a suspension.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the invention in which bodies 40 are embedded in a layer 30.
  • the bodies 40 are immobilized directly in the material of the layer 30.
  • the porous material of layer 30 has filter properties.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the invention in which bodies 40 are arranged in the area of the surface of a layer 30.
  • the bodies 40 can be embedded in the material of the layer 30, for example by being pressed into the still soft polymeric material during the production of the layer 30.
  • cavities 41 for example recesses or depressions, can also be formed in the layer 30, in which the bodies are arranged.
  • Such cavities 41 can have different geometries, for example a rounded shape 42, a square 43, a triangular 44, a first trapezoidal 45 and a second trapezoidal 46 (FIG. 6).
  • 7 shows a flow channel 20 in which an ion exchange filter designed as a frit 50 is arranged.
  • the frit 50 is arranged transversely to the flow direction of an ionic liquid (indicated by the arrows) in the flow channel 20 with a precise fit. In this way, the largest possible surface area is provided for ion exchange with simultaneous optimal flow through the polymer material.
  • the frit 50 has the same material as the layers 30 of the cartridge 10, i.e. a porous polymeric material, especially polycarbonate, in which bodies 40 are embedded.
  • the frit 50 consists of the ion exchange mixed bed resin, in other words it is the body 40.
  • the thickness of the frit 50 can be chosen arbitrarily, with a larger thickness correlating with a higher efficiency, since the ions dissolved in the fluid Walking through the frit 50 can interact with the ion exchange material over a longer period of time.
  • the thickness of the frit 50 is limited by the pressure that can be provided to the cartridge 10 to move the fluid. It is possible to arrange several frits 50 one behind the other in the flow channel 20. These can then be anion and cation exchange frits.
  • FIGS. 5 and 6 show a flow channel 20, the lower boundary of which is formed by the layer 33 and the upper boundary by the layer 32.
  • Bodies 40 are arranged in the surface of layer 33.
  • a corresponding arrangement can be provided as explained in FIGS. 5 and 6.
  • an ionic liquid flows tangentially against these.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a method for producing a cartridge 10 in the form of a cartridge 12 with two flow channels using a flow diagram.
  • a first step S1 four layers 31, 32, 33, 34 of porous polycarbonate (or other suitable polymeric material) are provided, which are in Depending on their planned position within the cartridge, they have a shape that enables the formation of at least one flow channel and a housing.
  • the first layer 31 and the third layer 33 each have different material thicknesses in sections, so that they enable the formation of the first 21 and second flow channels 22 in the sections with a smaller thickness.
  • the second layer 32 has a tunnel which is intended to form a fluid connection 23 between the first 21 and the second flow channel 22.
  • a body 40 or a number of bodies 40 comprising a mixed-bed ion exchange resin is provided.
  • the bodies 40 are made of the ion exchange mixed bed resin.
  • the bodies 40 can be easily integrated when assembling the cartridge 10. If you want to statically clamp the bodies 40 like in a “sandwich” in the desired flow channel 20, a previous size selection is possible, e.g. B. by sieving. By statically clamping the bodies 40, slipping and possible blocking of the flow channels 20 can be prevented. In addition, the bodies 40 can be prevented from escaping from the cartridge structure, which could lead to problems during the assembly process using laser welding. This is particularly important because the bodies 40 become electrostatically charged and could move from their intended installation position.
  • a third step S3 the layers 30 and the body or bodies 40 are arranged with one another in such a way that a flow channel is formed and the bodies are located in at least a portion of the flow channel and cannot get out of the flow channel.
  • a fourth step S4 the layers 30 are joined together.
  • the joining can be carried out, for example, by laser welding, gluing or another suitable method.
  • a film 60 is provided.
  • the film 60 consists of a porous polymeric material, for example polycarbonate, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride or polyamide and / or other polymers with glass transition temperatures comparable to that of polystyrene, from which the ion exchange mixed bed resin of the body 40 preferably consists.
  • the film 60 is integrated into the cartridge when it is constructed, in such a way that it covers at least the tunnel of the second layer 32, so that a fluid medium, i.e. an ionic solution, definitely flows through.
  • the film 60 is intended to intercept washed-in bodies 40, also in powder form, in a cartridge 12 with two flow channels 21, 22. These are stored in a carrier liquid and flushed into the cartridge 12 at the desired time (FIG. 10A). Due to the flow of an ionic liquid passed through the cartridge 12, the bodies 40 are intercepted at the fluid connection 23 by the film 60 (FIG. 10B). It is also possible to place it directly on the film 60 before an ionic liquid is conveyed over the ion exchange mixed bed resin.
  • the “filter cake” made of ion exchange mixed bed resin represents the effective volume for reducing the ion concentration of the ionic liquid.
  • strong and weakly acidic cation exchangers Stringongly Acidic Cation Exchange Resins or SACs and Weakly Acidic Cation Exchange Resins or WACs
  • Anion exchangers (Strongly Basic Anion Exchange Resins or SBAs and Weakly Basic Anion Exchange Resins or WBAs) each with different total capacities.
  • the deionization efficiency can be described using an ion exchange IM bed resin of the Purolite MB 400 type (data sheet https://www.prest.ro/wp-content/uploads/2018/15Purolite-MB400.pdf). It is an ion exchange mixed-bed resin whose active groups in the cation exchanger are sulfonates (-SO3- and thus SACs, bound with H + in delivery form) with a total capacity of 1.9 eq/l and in the anion exchanger quaternary ammonium ions (-N(CH3 ) 3+ and therefore SBAs, bound with OH in delivery form) with a total capacity of 1.3 eq/l (the volume ratio of cation to anion exchanger is 40% to 60%).
  • the average mass density (bulk weight) of the resin mixture is 722.5 g/l.
  • Polystyrene beads as polymer carriers have an average mass density of 1050 g/l and an average diameter of 0.6 mm.
  • the film 60 can also be functionalized with ion exchange mixed bed resin.
  • the process of functionalizing the film 60 with bodies 40 is shown in FIG.
  • the bodies 40 are incorporated into the porous polymer carrier film 60 via heatable rollers 70.
  • a functionalized film 61 is produced.
  • the above derivation of the necessary volume of the bodies 40 can be used for a monolayer on an area of the film 60 of approx.
  • a carrier film 60 with effective dimensions ⁇ 14 mm x 14 mm, which is quite compatible with classic microfluidic systems (credit card format).
  • This space requirement can be further reduced by stacking several films 60 or MBH in a monolayer (2D) to form a multilayer system (3D).
  • the distance between the rollers 70 should be chosen so that the most stable but still flexible functionalized film 61 is created. Values for dges can therefore e.g. B. between 10 and 1000 pm.
  • the diameter of the resin beads d resin should be (slightly) larger than the thickness of the carrier film 60 dpoiie or than the pore openings of its mesh so that they do not simply fall through the carrier film 60, but can be stably welded to it .
  • the functionalized film 61 can then be integrated into the cartridge 10 when constructing the microfluidic cartridge 10.
  • the film 61 is arranged in the same way as the unfunctionalized film 60 between the second and third layers in a cartridge 12, so that the ionic liquid definitely flows through and ions are bound by the ion exchange mixed bed resin (Fig. 12).
  • the film 61 is arranged with a cartridge 11 along the flow channel 20.
  • the film 61 is flowed tangentially by the ionic liquid (FIG. 13).
  • the effective volume is based on the thickness of the film 61, which is multiplied by the area of the film 61 that is effectively flowed through or flowed against.
  • the effective volume for deionization refers to the location of the flow channel through which the ionic liquid flows (cartridge 12) or flows tangentially (cartridge 11) in order to reduce the ion concentration in this channel.
  • a cartridge 10 is provided in a first step S1.
  • an ionic liquid for example a liquid with macromolecules in which salt ions are also dissolved, is flushed into the flow channel 20.
  • the ionic liquid is incubated in the flow channel 20 for a period of 10 minutes (or another suitable period of time). By adjusting the fluid flow, ion exchangers and the ionic liquid can be incubated together for as long as desired. After that will the fluid medium is discharged from the flow channel 20 for further use in a fourth step S4.

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Abstract

Es wird ein mikrofluidisches System mit einem Gehäuse und mindestens einem innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Strömungskanal (20) bereitgestellt, wobei in mindestens einem Teilbereich des Strömungskanals (20) mindestens ein Körper (40), der ein Ionenaustauscher-Mischbettharz aufweist, angeordnet ist, und zumindest der Strömungskanal (20) aus einem porösen Material ausgebildet ist, wobei das Ionenaustauscher-Mischbettharz durch seine Anionen- und Kationenaustauscher-Eigenschaften zum Reduzieren der Ionenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums bereitgestellt ist.

Description

Mikrofluidiksystem mit lonenaustauscher-Mischbettharz
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System mit einem lonenaustauscher-Mischbettharz, ein Verfahren zur Herstellung einer auf dem System basierenden Kartusche, die Kartusche selbst sowie ein Verfahren zum Reduzieren einer lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung in einem fluiden Medium, das makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweist.
In Elektrolytsystemen sind eine genaue Kenntnis der darin vorliegenden Ionen sowie ein genaues und reproduzierbares Einstellen einer lonenkonzentration essentiell, um beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit, den pH-Wert und die osmotische Konzentration eines oder mehrerer Elektrolyten einzustellen. Diese Parameter stellen darum grundlegende Einflussgrößen in biologischen und chemischen Prozessen dar, wie z.B. Experimenten mit DNA, Proteinen und Zellen.
Eine lonenkonzentration lässt sich z.B. durch Verdünnungsschritte reduzieren. Sind jedoch hohe Verdünnungen erforderlich, ist mit einem entsprechend hohen Ausgangsvolumen des Verdünnungsmittels zu rechnen. Dies kann u.a. zu Platzproblemen führen, weil ausreichende Mengen eines entsprechenden sauberen Verdünnungsmittels vorgelagert werden müssen sowie bereits verwendete Reagenzien in Abfallkompartimenten aufgefangen werden müssen. Eine Verdünnung besitzt keine Selektivität gegenüber einzelnen lonenarten und der eigentliche Analyt wird ebenfalls mitverdünnt, ggf. bis unter die Nachweisgrenze der verwendeten Nachweismethode. Außerdem muss bei Verdünnungsschritten eine optimale Durchmischung bzw. Homogenisierung sichergestellt werden, um Konzentrationsgradienten zu vermeiden.
Dies stellt gerade in mikrofluidischen Systemen eine Herausforderung dar. Soll beispielsweise die Leitfähigkeit von 1 ml physiologischer PBS-Lösung von ca. 14000 pS/cm per Verdünnung auf 1 pS/cm reduziert werden, so ist die Hinzugabe von 13999 ml Dl-Wasser mit einer Leitfähigkeit von ca. 1 pS/cm (Ver- dünnung 1 :14000) notwendig, wobei zu beachten ist, dass auch die Konzent- ration des Analyten um das gleiche Verhältnis reduziert wird.
Eine weitere Möglichkeit zum Einstellen der lonenkonzentration ist eine Verwendung von Dialysefiltern. Diese weisen eine gewisse Selektivität in Bezug auf die lonengröße auf, sind doch in ihrer Universalität in ihren Möglichkeiten stark begrenzt. Bei der Verwendung von Dialysefiltern handelt es sich um einen diffusionsgetriebenen Prozess, welcher vom Konzentrationsgradienten der durch die Dialysemembran getrennten Kompartimente abhängt. Somit ist die Zeit ein limitierender Faktor. Dies ist vor allem in großen Probenvolumina bzw. Systemen mit großer charakteristischer Abmessung L der Fall, denn die Diffusionszeit eines Moleküls skaliert mit dem Quadrat von L
Außerdem wird die untere Grenze der Deionisierung durch eine Gleichgewichtseinstellung der lonenkonzentration in den Kompartimenten definiert. Durch regelmäßige Verwendung frischer Flüssigkeiten kann der Konzentrationsgradient aufrechterhalten werden, allerdings ist die Menge an vorlagerbaren, frischen Reagenzien in miniaturisieren Lab-On-Chip-Systemen begrenzt. Außerdem stellt die Integrierbarkeit und Handhabung eine Herausforderung dar, da ein speziell für diesen Zweck entworfenes mikrofluidisches System benötigt wird. Die Verwendung in miniaturisierten mikrofluidischen Systemen beeinträchtigt darüber hinaus die Wirksamkeit durch das ungünstige Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis. Die Verwendung in Einwegkartuschen würde die Fertigungskosten darüber hinaus steigern und sich aus ökonomischer Sicht nicht rechnen.
Möchte man den Dialyseprozess beschleunigen und den Prozess von Konzentrationsgradienten entkoppeln, liegt die Anlegung eines Drucks nahe, um eine Durchmischung zu bewirken. Solche Prozesse kommen zum Beispiel bei Meerwasserentsalzungsanlagen ins Spiel. Hierbei ist die Integrierbarkeit und Handhabung in Lab-On-Chip-Systemen allerdings noch schwerer umsetzbar. Außerdem kann es zum Verblocken der Membran kommen, was die Wirksamkeit des Deionisierungsprozesses reduziert. Außerdem können die Membran sowie die Probe bei zu hohen Drücken zerstört werden. Weiterhin bekannt in der Deionisierung von Lösungen sind darüber hinaus Ex- traktions- und Fällungsmethoden. Diese stellen komplizierte Prozesse dar, welche in mikrofluidischen Systemen nur schwer zu integrieren und handhabbar sind. Besonders bei Extraktionsmethoden werden häufig toxische und matenalinkompatible Chemikalien verwendet. Außerdem sind diese Prozesse e- her Undefiniert, was sich in deren Reproduzierbarkeit wiederspiegelt. Bei Fällungsmethoden können zwar bestimmte Anionen und Kationen zugegeben werden, um gezielt bestimmte Ionen durch Ausbildung eines unlöslichen Salzes zu fällen, dies ist jedoch insbesondere in mikrofluidischen Systemen ungünstig, da es zum Verblocken des Systems kommen kann. Eine Adhärenz der entstandenen Festphase mit dem System kann den Prozess somit negativ beeinflussen.
Des Weiteren wurden bereits Deionisierungsverfahren mit sogenannten „carbon nanotubes“ beschrieben.
Die Kapazitive Deionisierung (engl. Capacitive Deionization, CDI) stellt eine weitere Methode zur Deionisierung von Wasser dar, bei welcher durch zwei Elektroden eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt wird. Diese Methode ist allerdings, was die Integrierbarkeit und Handhabbarkeit sowie die Kosten angeht, für mikrofluidische Systeme, die als Einwegprodukte gedacht sind, nicht geeignet. Darüber hinaus wurden solche Systeme noch nicht für biologische oder chemische Proben verwendet.
Allen Methoden, die nach dem Stand der Technik für Deionisierungsverfahren verwendet werden, ist eine limitierte bis nicht vorhandene Kompatibilität mit mikrofluidischen Systemen sowie eine Limitierung durch begrenzte Möglichkeiten der Miniaturisierung bzw. Skalierung gemein.
In der Deionisierung von Leitungswasser im makroskopischen Maßstab (liter- bzw. kilogrammweise) werden lonenaustauscher-Mischbettharze in Entsalzungspatronen integriert, wo sie von Leitungswasser durchflossen werden, um dieses zu deioniseren. Ist deren lonanaustauscherkapazität erschöpft, können die Entsalzungspatronen getauscht oder regeneriert werden. Das lo- nenaustauschermaterial besteht hierbei in der Regel aus porösen Polystyrolkügelchen, welche mit verschiedensten lonanaustauschergruppen funktionali- siert werden können. Diese weisen einen durchschnittlichen Durchmesser von ca. 0,6 mm auf, wobei jedes Kügelchen entweder eine Anionen- oder
Kationenaustauscherfunktion besitzt.
Aus der Aufreinigung von DNA-haltigen Lösungen sind darüber hinaus Anionenaustauschersäulchen bekannt, welche die in der Lösung enthaltene DNA an Anionenaustauschergele binden, wobei die restliche Lösung in einem Zentrifugationsschritt das Anionenaustauschergel durchtritt. Die an den Anionenaustauscher gebundene DNA kann gewaschen werden und im Anschluss wieder vom Säulenmaterial eluiert werden. Hierbei isoliert man allerdings gezielt die DNA aus der Lösung und nicht die kontaminierenden Salze bzw. Ionen.
In der Druckschrift DE 10 2008 000 369 A1 wird eine Integration einer Probenpräparation in ein mikrofluidisches Gerät offenbart. Dabei kann das Gerät eine Präparationssubstanz auf einer Seite einer Stoffaustauschmembran aufweisen. Die Präparationssubstanz kann einen Ionenaustauscher zum Entsalzen der Probe aufweisen, weil eine übermäßige Salzkonzentration für ein der Präparation folgendes Trennverfahren unerwünscht sein kann. Das Gerät kann zum Präparieren einer biologischen Probe eingerichtet sein, die DNA, Proteine, Enzyme, Zellen, Bakterien oder Viren enthält.
In der Druckschrift WO 00/71243 A1 wird die Verwendung mikrofluidischer Systeme offenbart, die Mikrokugelmatrizen verwenden, um Zielanalyten nachzuweisen. DerZielanalyt kann eine Nukleinsäure sein. Eine beschriebene Vorrichtung kann ein Trennmodul aufweisen, das zum Abtrennen von Verunreinigungen ausgebildet ist, die die Analyse des Zielanalyten beeinträchtigen. Das Trennmodul kann lonenaustauschermaterialien als Trennmedien enthalten.
In der Druckschrift DE 102013201 505 A1 wird eine Vorrichtung zur Extraktion von trocken vorgelagerten Körperflüssigkeiten in einer Probe, eine Kartusche sowie ein Verfahren zum Extrahieren der Körperflüssigkeit offenbart. Die Vorrichtung ist als Lab-On-Chip-System ausgeführt, und kann einen Filter oder eine Aufreinigungsvorrichtung für die aus der Probe extrahierte Körperflüssigkeit aufweisen. Die Aufreinigungsvorrichtung kann ein Ionenaustauscher sein.
In der Druckschrift DE 100 46 069 A1 werden ein Verfahren und mikrofluidische Elemente zur Mikro-Polynukleotidsynthese beschrieben. Die verwendeten Mikrofluidikelemente können Abschnitte umfassen, in denen lonenaustauscherharze vorliegen, die eine direkte Trennung von Produkten von Reagenzien ermöglicht. Dabei ist ein Ionenaustauscher vorgesehen, um einen Trennvorgang in Gegenwart von Polynukleotiden vorzusehen.
Es besteht die Aufgabe, die Konzentration von Ionen und von bestimmten lonenarten in einem Elektrolyten definiert zu reduzieren. Die Erfindung soll eine Deionisierung für eine Anwendung mit limitierten Prozessvolumina, wie sie z. B. in mikrofluidischen Systemen gehandhabt werden, ermöglichen. Durch die Erfindung sollen makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisende fluide Medien, wie sie in der Biotechnologie oder der Chemie vorkommen, schonend deionisiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren zum Herstellen einer Kartusche gemäß Anspruch 11 , eine Kartusche gemäß Anspruch 14 sowie ein Verfahren zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums gemäß Anspruch 15.
Weiterhin vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Ausführungsformen der Erfindung können auf vorteilhafte Weise miteinander kombiniert werden.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System mit einem Gehäuse und mindestens einem innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Strömungskanal, wobei in mindestens einem Teilbereich des Strömungskanals mindestens ein Körper, der ein lonenaustauscher- Mischbettharz aufweist, angeordnet ist, und zumindest der Strömungskanal aus einem porösen Material ausgebildet ist, wobei das Ionenaustauscher- Mischbettharz durch seine Anionen- und Kationenaustauscher-Eigenschaften zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums bereitgestellt ist.
Das fluide Medium kann beispielsweise eine Lösung oder eine Suspension sein. Das fluide Medium kann insbesondere eine zu untersuchende Probe sein, in der ein bestimmter Analyt wie zum Beispiel ein diagnostischer Marker nachgewiesen werden soll. Die makromolekularen Verbindungen können beispielsweise Nukleinsäuren und/oder Proteine sein.
Die Erfindung löst die oben beschriebene Aufgabe vorteilhaft, weil das Anordnen eines lonenaustauscher-Mischbettharzes ein vergleichsweise hohes Verhältnis von Deionisierungs- bzw. lonenbindungsoberfläche zu Gesamtvolumen ermöglicht, womit platzsparend eine lonenkonzentration reduziert werden kann. Weiterhin ist vorteilhaft, dass eine Probe nicht verdünnt werden muss, so dass platzsparend keine großen Volumina an Verdünnungsmittel bereitgestellt werden müssen. Zudem wird die Sensitivität anschließender Nachweismethoden nicht durch unmäßige Verdünnung der Probe beeinflusst.
Weiterhin ist die Erfindung vorteilhaft, weil zum Einstellen eines Gleichgewichts keine Mindest-Ionenkonzentration notwendig ist. Eine untere Konzentrationsgrenze ist quasi beliebig tief einstellbar und lediglich vom Volumen des lonenaustauscher-Mischbettharzes (bzw. der zur Verfügung stehenden lonenaustauschergruppen) abhängig. Es können somit lonenkonzentrationen erreicht werden, die denen von deionisiertem Wasser gleichen.
Eine Selektivität bzw. Affinität des lonenaustauscher-Mischbettharzes gegenüber unterschiedlichen lonenarten kann vorteilhaft durch ein Funktionalisieren des lonenaustauscher-Mischbettharzes mit geeigneten Oberflächengruppen kontrolliert werden. Auch eine Änderung des Verhältnisses von Anionenaustauschern zu Kationenaustauschern kann die Selektivität weiter steigern. Weiterhin ermöglicht die Erfindung vorteilhaft eine schonende Deionisierung des fluiden Mediums, ohne den eigentlichen Analyten in dem fluiden Medium zu beeinträchtigen oder zu zerstören. Es sind keine aggressiven Chemikalien oder hohe Drücke notwendig (z.B. für Fällungs- oder Extraktionsmethoden), welche Systemkomponenten degenerieren oder nachfolgende Prozessschritte kontaminieren und negativ beeinflussen können.
Damit kann die Erfindung ohne hohen technischen Aufwand umgesetzt werden und ermöglicht dadurch eine universelle Integrierbarkeit in mikrofluidische Systeme. Darüber hinaus ist die Menge an verwendetem Mischbettharz beliebig mit der Größe des mikrofluidischen Systems bzw. mit dem zu deionisierenden Fluid (Leitfähigkeit und Volumen) skalierbar.
Der Begriff „deionisieren“ wird hier in der Bedeutung verwendet, dass eine lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung in einem fluiden Medium bzw. einer Lösung signifikant reduziert wird. Idealerweise wird die besagte lonenkonzentration gegen Null reduziert. Dieser Begriff schließt hier jedoch nicht ein, dass makromolekulare Verbindungen (Makromoleküle) aus der Lösung entfernt werden, die auch als Ionen vorliegen können und die ja gerade erwünscht sind, d.h. die von Salzionen und kontaminierenden Verbindungen befreit werden sollen. Insbesondere werden hier die Begriffe „deionisieren“ bzw. „Deionisierung“ synonym mit „reduzieren“ bzw. „Reduktion“ in Bezug auf die lonenkonzentration verwendet.
Vorzugsweise ist der Körper derart angeordnet, dass er beim Durchströmen des Strömungskanals von dem fluiden Medium umströmt werden kann. Vorteilhafterweise wird dabei ein möglichst großer Kontakt der Oberfläche des Körpers mit dem Medium ermöglicht. Auf diese Weise werden effizient Ionen aus dem Medium an den Körper gebunden. Vorteilhafterweise ist eine Anzahl an Körpern in dem Strömungskanal angeordnet, wodurch mehr Oberfläche zur Wechselwirkung mit Ionen in einer Probe bereitgestellt wird. Der oder die Körper sind beispielsweise in Form kleiner Partikel, z.B. als Kugel bzw. Kügelchen, bereitgestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Körper auch derart kleine Abmessungen aufweisen, dass sie als Pulver bereitgestellt werden. Dieses kann durch seine größere Oberfläche die Effizienz der Reduktion der lonenkonzentration weiter steigern. Außerdem kann es als feine Suspension nach Aufnahme in einem Fluid auch durch die M ikrofluidik bewegt werden.
Vorzugsweise besteht der Körper aus einem Ionenaustauscher- IM ischbettharz. Mit anderen Worten besteht der Körper vollständig aus einem Material, nämlich dem lonenaustauscher-Mischbettharz, das nicht mit anderen Materialien vermischt ist. Dadurch kann vorteilhaft ein Material bereitgestellt werden, aus dem der oder die Körper gefertigt werden können. Dadurch werden die Effizienz der Herstellung und die Effizienz der Wechselwirkung mit den Ionen in dem fluiden Medium erhöht.
Zumindest der Strömungskanal des erfindungsgemäßem Systems ist aus einem porösen Material, vorzugsweise einem porösen polymeren Material, ausgebildet. Das ist vorteilhaft, weil das poröse Material von dem fluiden Medium und kleinen Ionen wie Ionen von gelösten Salzen passiert werden kann, von einem Körper aus oder mit einem lonenaustauscher-Mischbettharz sowie von makromolekularen Verbindungen wie Biomolekülen wie Proteinen, Nukleinsäuren oder Zellen dagegen nicht oder verglichen mit Salzionen nur langsam. Es bieten sich daher Porengrößen von 3000 bis 5000 Dalton an, um diese selektive Permeabilität zu gewährleisten. Dies bietet besonders bei einem fluiden Medium, das einen Analyten in Form eines Biomoleküls wie einer Nukleinsäure aufweist, einen weiteren wichtigen Vorteil. Aufgrund ihrer Ladungen werden derartige Biomoleküle auch an lonenaustauscher- Mischbettharze gebunden, wenn auch deutlich langsamer als kleine Salzionen. Durch das poröse Material des Strömungskanals kann eine Deionisierung des fluiden Mediums ohne Verlust von geladenen Biomolekülen durch eine Bindung der Biomoleküle an das lonenaustauscher-Mischbettharz erfolgen. Dies ist besonders bei der Verarbeitung von Patientenproben in der Diagnostik vorteilhaft, da das darin enthaltene Probenmaterial, insbesondere die gesuchten diagnostischen Marker, stark limitiert ist, so dass ein weiterer Verlust von Probenmaterial die erfolgreiche Detektion der gesuchten Marker verhindern könnte. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Körper mindestens in einem Teil des Materials eingebettet, das den Strömungskanal ausbildet. Mit anderen Worten ist der Körper in dem Material immobilisiert. Der Körper kann dabei in vorgesehene Kavitäten in dem Material eingebracht und dort z.B. mit dem Material verbunden werden. Das kann z.B. während des Herstellungsverfahrens des Materials durchgeführt werden, z.B. durch Einbringen in das Material während eines Spritzgussverfahrens oder durch Aufbringen und Eindrücken in das noch weiche Polymer.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist polymeres poröses Material mit dem Körper derart im Strömungskanal angeordnet, dass es von dem fluiden Medium durchströmt werden kann. Dabei ist das Material quer zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums im Strömungskanal angeordnet. Das Material ist dabei in Form einer passgenauen porösen Fritte (oder eines Filters) vorstellbar, die im Strömungskanal angeordnet ist. Dabei kann die Dicke der Fritte beliebig gewählt werden, wobei eine höhere Dicke mit einer besseren Deionisierungseffizienz einhergeht, da die im Fluid gelösten Ionen beim Durchwandern der Fritte länger Zeit haben, mit dem lonenaustauschermaterial zu interagieren. Die Dicke ist durch den Druck begrenzt, welchen das mikrofluidische System zum Bewegen des Fluids aufbringen kann. In einer Ausführungsform kann der Körper selbst als Fritte ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Material mit dem Körper derart im Strömungskanal angeordnet, dass es von dem fluiden Medium tangential angeströmt werden kann. Im Grunde liegt dabei die Innenfläche des Strömungskanals mit dem Material ausgekleidet vor. Das Material wird dann zum größten Teil tangential angeströmt und nicht mehr, wie bei der Fritte, komplett durchströmt. Somit bietet es einen geringeren Widerstand. Außerdem kann die Effizienz der Reduktion der lonenkonzentration durch ausreichend lange Inkubationszeiten verbessert werden. In einer Ausführungsform kann der Körper selbst das auskleidende Material bilden. Vorzugsweise ist im Bereich des Strömungskanals eine folienartige Einrichtung aus einem polymeren porösen Material angeordnet. Folienartig bedeutet hier, dass die Einrichtung eine flächige Ausbildung aufweist, und dabei in der Höhe und Breite wesentlich größer dimensioniert ist als in der Dicke. Die folienartige Einrichtung wird im Folgenden kurz als Folie bezeichnet. Die Folie kann aus demselben Material wie die Umgebung des Strömungskanals oder aus einem anderen polymeren Material bereitgestellt werden.
Besonders vorteilhaft wird die Folie quer zur Strömungsrichtung im Strömungskanal angeordnet, um im fluiden Medium befindliche Körper aus oder mit lonenaustauscher-Mischbettharz abzufangen. Die Körper werden dabei in einer Trägerflüssigkeit vorgelagert und zum gewünschten Zeitpunkt in das System eingespült. Durch Kontakt der Körper mit dem fluiden Medium wird die lonenkonzentration in dem Medium reduziert. Nach Durchtritt durch die Folie weist das Medium weniger Ionen und keine Körper auf. Die Folie stellt hierbei das effektive Reduktionsvolumen dar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Folie mit lonenaustauschergruppen funktionalisiert. Dabei ist der Körper bzw. eine Anzahl von Körpern in der Folie angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform kann auch das lonenaustauscher-Mischbettharz selbst als Folie bereitgestellt werden, d.h. in einer dünnen, porösen Form. Die Ausbildung einer Folie mit Körpern bzw. des Körpers als Folie ist vorteilhaft, weil sie als einzelnes Teil vorgefertigt und in ein bestimmtes mikrofluidisches System eingepasst werden kann. Die Folie wird dann innerhalb des Strömungskanals wie das oben beschriebene Trägermaterial quer zur Strömungsrichtung angeordnet, so dass sie allein oder mit einem weiteren Trägermaterial durchströmt werden kann, oder an einer Innenseite des Strömungskanals. Auch hier entspricht das effektive Reduktionsvolumen dem durchströmten oder tangential angeströmten Folienvolumen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind innerhalb des Gehäuses ein erster Strömungskanal und ein zweiter Strömungskanal ausgebildet, die miteinander in fluider Verbindung stehen. Im Bereich der fluiden Verbindung ist vorzugsweise eine Folie zwischen den Strömungswegen angeordnet, die eine halbdurchlässige Abgrenzung zwischen dem ersten und zweiten Strömungskanal bildet. Dabei sind Ausführungsformen der Folie geeignet, in die keine Körper integriert sind, die dann besonders geeignet ist, Körper aus dem fluiden Medium abzufangen. Weiterhin sind auch Ausführungsformen der Folie geeignet, die Körper aufweisen, die zum Binden von Salzionen aus dem fluiden Medium vorgesehen sind. Das effektive Reduktionsvolumen entspricht dem durchströmten Folienvolumen. Alternativ zum Verwenden einer Folie kann die fluide Verbindung auch als Engstelle zwischen den beiden Strömungskanälen ausgebildet sein, an der die Körper immobilisiert werden können. In jedem Fall ist vorgesehen, das fluide Medium in den ersten Strömungskanal einzuleiten und mit signifikant reduzierter lonenkonzentration aus dem zweiten Strömungskanal auszuleiten.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kartusche, die ein erfindungsgemäßes System umfasst, mit den Schritten:
- Bereitstellen einer Anzahl von Schichten aus einem polymeren Material, die in Abhängigkeit von ihrer geplanten Position innerhalb der Kartusche eine Form aufweisen, dass sie innerhalb des Gehäuses einen Strömungskanal ausbilden können, und zumindest der Strömungskanal aus einem porösen Material ausgebildet wird,
- Bereitstellen mindestens eines Körpers, der ein lonenaustauscher- Mischbettharz aufweist,
- Anordnen der Schichten und des Körpers derart miteinander, dass ein Strömungskanal ausgebildet wird und sich der Körper in mindestens einem Teilbereich des Strömungskanals befindet und nicht aus dem Strömungskanal hinausgelangen kann,
- Zusammenfügen der Schichten.
Vorzugsweise wird der Körper mit den Schichten bereitgestellt, die den Strömungskanal ausbilden. Dabei kann der Körper im Material integriert werden, also bei der Herstellung der entsprechenden Schichten, z.B. durch ein Spritzgussverfahren, in das Material eingemischt werden oder in das noch weiche Material einsinken. Alternativ können in den entsprechenden Schichten Vertiefungen, z.B. Aussparungen in verschiedenen geometrischen Formen, ausgebildet werden, die die Körper aufnehmen.
Besonders bevorzugt wird in dem Verfahren eine Folie aus einem polymeren Material bereitgestellt. Die Folie ist oben beschrieben worden. Die Folie kann dabei aus demselben polymeren Material bestehen wie die Schichten oder ein anderes polymeres Material aufweisen. Die Folie kann z.B. ein lonenaustauscher-Mischbettharz aufweisen oder auch aus diesem bestehen.
Vorzugsweise werden die Körper in mindestens einen Bereich der Folie integriert. Besonders werden gezielt Körper in gewünschten Bereichen der Folie angeordnet. Das ist vorteilhaft materialsparend, wenn die Folie zwischen zwei Strömungskanälen angeordnet wird und dabei nur im unmittelbaren Strömungsweg die Körper aufweist.
Die Folie wird vorzugsweise im Strömungskanal quer zum Strömungsweg des fluiden Mediums angeordnet. Alternativ kann die Folie auch längs des Strömungskanals angeordnet werden. Die Folie ermöglicht hier ein Anordnen von Körpern nach der eigentlichen Fertigung der Kartusche, so dass aufwandsparend die Kartusche aus Schichten gefertigt werden kann, ohne die Körper in die Schichten zu integrieren.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Kartusche zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums, hergestellt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Die Vorteile der Kartusche entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Kartusche kann z.B. als eine sogenannte Lab-On-Chip-Kartusche bereitgestellt werden und in der Entwicklung von biologischen bzw. molekularbiologischen Tests und Verfahren verwertet werden.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums mittels einer erfindungsgemäßen Kartusche, mit den Schritten:
- Bereitstellen der Kartusche,
- Einspülen des fluiden Mediums in den Strömungskanal,
- Inkubation des fluiden Mediums in dem Strömungskanal,
- Ausleiten des fluiden Mediums aus dem Strömungskanal zur weiteren Verwendung.
Das Verfahren ermöglicht vorteilhaft ein Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung in biologischen und chemischen Proben im Mikro- und Nanolitermaßstab.
Vorzugsweise wird das gewünschte Niveau des Reduzierens der lonenkonzentration des fluiden Mediums durch die Menge des verwendeten lonenaustauscher-Mischbettharzes und/oder durch Wahl der lonenaustauschergruppen im lonenaustauscher-Mischbettharz gesteuert. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Kartusche für ein bestimmtes zu reduzierendes fluides Medium eingesetzt werden. Weiterhin kann eine Kartusche auch entsprechend eines bestimmten Zieles eingesetzt werden, z.B. wenn für eine bestimmte Anwendung eine besondere Reinheit des fluiden Mediums von Salzionen notwendig ist, oder wenn alternativ bestimmte Ionen entfernt werden sollen. Ein selektives Reduzieren lässt sich durch die Verarbeitung verschiedener lonengruppen beim Herstellungsprozess in gewissen Maßen steuern. Außerdem kann der Anteil aus Anionenaustauschern sowie Kationenaustauschern im Mischbettharz angepasst werden. Die für einen lonenaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche ist ebenfalls entscheidend und kann für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das gewünschte Niveau des Reduzierens der lonenkonzentration des fluiden Mediums durch die Dauer der Inkubation des fluiden Mediums in dem Strömungskanal gesteuert. Inkubiert man das Fluid, welches die Ionen enthält, statisch mit dem Mischbettharz, also ohne Einstellen eines Flusses, handelt es sich beim Reduzieren der lonenkonzentration um einen rein diffusionsgetriebenen Vorgang. Kennt man die Diffusionskoeffizienten der gewünschten oder ungewünschten Ionen, kann man durch den Faktor Zeit einen weiteren Einfluss auf die Selektivität des Verfahrens ausüben.
Möglich ist auch ein nicht-selektives Binden aller ionischen Komponenten an ein Mischbettharz, gefolgt von einer definierten mikrofluidischen Zugabe gewünschter Ionen. Alternativ kann man eine deionisierte Lösung auch zu flüssig oder pulverförmig vorgelagerten Ionen befördern, um diese wieder in das Fluid aufzunehmen.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Kartusche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Strömungskanal.
Figur 2 eine Kartusche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Strömungskanälen.
Figur 3 eine schematische Darstellung von Körpern aus lonenaustauscher- Mischbettharz.
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Körper gemäß Fig. 3 in einer Schicht der Kartusche.
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Körper in der Oberfläche eines Strömungskanals der Kartusche.
Figur 6 eine schematische Darstellung von Kavitäten in der Oberfläche eines Strömungskanals in verschiedenen Ausbildungsformen.
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Strömungskanals mit darin angeordneter Fritte mit oder aus lonenaustauscher-Mischbettharz.
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Strömungskanals mit im Material der Strömungskanalausbildung angeordneten Körpern aus lonenaustauscher-Mischbettharz. Figur 9 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Kartusche.
Figur 10 eine Kartusche mit zwei Strömungskanälen und einer Folie.
Figur 11 die Herstellung einer mit lonenaustauscher-Mischbettharz funktionalisierten Folie.
Figur 12 eine Kartusche mit zwei Strömungskanälen und einer mit lonenaustauscher-Mischbettharz funktionalisierten Folie.
Figur 13 eine Kartusche mit einem Strömungskanal und einer mit lonenaustauscher-Mischbettharz funktionalisierten Folie.
Figur 14 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reduzieren einer lonenkonzentration mittels einer Kartusche.
In Fig. 1 ist eine Kartusche 10 dargestellt, die als Kartusche 11 mit einem Strömungskanal 20 ausgebildet ist. Die Kartusche 11 weist vier Schichten 30 auf, nämlich eine erste Schicht 31 , eine zweite Schicht 32, eine dritte Schicht 33 und eine vierte Schicht 34. Der Strömungskanal 20 wird durch die zweite Schicht 32 und die dritte Schicht 33 ausgebildet. Das Material der Schichten 30 ist besonders ein poröses Polymer wie Polycarbonat; es können auch andere geeignete polymere Materialien verwendet werden. Die Porengröße des Materials sollte daher so definiert sein, dass ein lonenaustauscher- Mischbettharz in Pulverform oder als Kügelchen, sowie Biomoleküle wie Proteine, Nukleinsäuren oder Zellen, nicht oder verglichen mit Salzionen nur langsam in oder durch das Material gelangen können. Kleinere Moleküle wie gelöste Salze hingegen, sollen das Material passieren können. Es bieten sich daher Porengrößen von 3000 bis 5000 Dalton an, um diese selektive Permeabilität zu gewährleisten. Dies bietet besonders bei Biomolekülen wie Nukleinsäuren einen weiteren wichtigen Vorteil. Aufgrund ihrer Ladungen werden diese Moleküle auch an lonenaustauscher-Mischbettharze gebunden, wenn auch deutlich langsamer als kleine Salzionen. In Fig. 2 ist eine Kartusche 10 dargestellt, die als Kartusche 12 mit einem ersten Strömungskanal 21 und einem zweiten Strömungskanal 22 ausgebildet ist. Die Anzahl der Schichten 30 in dem schichtartigen Aufbau entspricht der der Kartusche 11 gemäß Fig. 1. Im Unterschied zu Fig. 1 weisen in der Kartusche 12 die erste Schicht 31 und die dritte Schicht 33 abschnittsweise jeweils unterschiedliche Materialdicken auf, so dass sie in den Abschnitten mit geringerer Dicke die Ausbildung des ersten 21 bzw. zweiten Strömungskanals 22 ermöglichen. Der erste Strömungskanal 21 und der zweite Strömungskanal 22 sind durch eine fluide Verbindung 23 verbunden. Die fluide Verbindung wird durch einen Tunnel in der zweiten Schicht 32 bereitgestellt. Die fluide Verbindung 23 ermöglicht zumindest eine Strömung einer Flüssigkeit; sie kann als Engstelle ausgebildet sein, so dass in der Flüssigkeit befindliche Körper nicht hindurchgelangen können, oder zum Anordnen einer Folie vorgesehen sein.
Die Kartusche 10 ist vorgesehen, eine Konzentration von Salzionen und/oder Ionen von kontaminierenden Verbindungen in einer ionischen Flüssigkeit zu reduzieren. Die ionische Flüssigkeit kann auch als ionische Lösung oder als fluides Medium bezeichnet werden und weist besonders makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen auf. Zum Reduzieren der Konzentration von Salzionen und/oder Ionen von kontaminierenden Verbindungen in der ionischen Flüssigkeit werden Körper 40 verwendet, die ein lonenaustauscher-Mischbettharz aufweisen oder in einer bevorzugten Ausführungsform aus dem lonenaustauscher-Mischbettharz bestehen. In Fig. 3 sind zwei Körper 40 dargestellt, wobei der eine ein Anionen-Austauscher- Körper ist und der andere ein Kationen-Austauscher-Körper, die mit den entsprechenden immobilisierten Ionen SOs’ bzw. N+Rs funktionalisiert sind, sowie die mobilen Gegenionen (Na+ und CI’). Die Funktionalisierung ist ortsfest/immobilisiert und bildet, zusammen mit der Harz-Matrix, das Gerüst der Körper. Ionenaustauscher können mit verschiedensten Ionen funktionalisiert werden. Die Gegenionen dienen zum Gewährleisten der lonen- Austausch-Funktion. Damit die Körper eine lonen-Austausch-Funktion besitzen, müssen die funktionellen Gruppen unbedingt mit (sehr) mobilen Ionen beladen werden. Der Kationen-Austauscher muss mit einem Kation, und der Anionen-Austauscher mit einem Anion beladen sein. Es können auch Anionen und Kationen auf einem Körper funktionalisiert werden. Das als Trägermaterial verwendete Harz ist besonders ein poröses Polystyrol, wobei auch andere geeignete Polymere verwendet werden können.
Die Körper 40 werden in annähernd kugelförmiger Form bereitgestellt (möglichst kugelförmig) und haben einen Durchmesser von 0,1 mm - 1 ,2 mm. Die Körper 40 können auch mechanisch weiter zerkleinert werden, z.B. durch Mahlen, bis sie pulverförmig sind. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, um in einer Suspension eingesetzt zu werden.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der Körper 40 in eine Schicht 30 eingebettet sind. Hier sind die Körper 40 direkt in dem Material der Schicht 30 immobilisiert. Das poröse Material der Schicht 30 weist Filtereigenschaften auf. Mittels dieser Anordnung kann einem Verlust an geladenen Biomolekülen, die in einer ionischen Flüssigkeit enthalten sind, entgegengewirkt werden, da lediglich kleine geladene Moleküle in das Filtermaterial eindringen können, um dort mit dem Mischbettharz zu interagieren, und die Biomoleküle, die i.d.R. Makromoleküle sind, nicht an das Mischbettharz binden können. Mit anderen Worten kann durch eine Verpackung der Körper 40 in das poröse Material der Schichten 30 eine Deionisierung der ionischen Flüssigkeit ohne Verlust von geladenen Biomolekülen durch eine Bindung an das lonenaustauscher-Mischbettharz erfolgen.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der Körper 40 im Bereich der Oberfläche einer Schicht 30 angeordnet sind. Die Körper 40 können dabei in das Material der Schicht 30 eingebettet sein, z.B. indem sie während der Herstellung der Schicht 30 in das noch weiche polymere Material gedrückt werden. Alternativ können in der Schicht 30 auch Kavitäten 41 , z.B. Aussparungen oder Vertiefungen, ausgebildet werden, in denen die Körper angeordnet werden. Solche Kavitäten 41 können verschiedene Geometrien aufweisen, z.B. eine gerundete Form 42, eine viereckige 43, eine dreieckige 44, eine erste trapezförmige 45 und eine zweite trapezförmige 46 (Fig. 6). In Fig. 7 ist ein Strömungskanal 20 dargestellt, in dem ein als Fritte 50 ausgebildeter Ionenaustauscher-Filter angeordnet ist. Die Fritte 50 ist quer zur Strömungsrichtung einer ionischen Flüssigkeit (angedeutet durch die Pfeile) passgenau im Strömungskanal 20 angeordnet. Auf diese Weise wird eine möglichst große Oberfläche für einen lonenaustausch bei gleichzeitiger optimaler Durchströmung des Polymermaterials bereitgestellt. Die Fritte 50 weist in einer Ausführungsform das gleiche Material auf wie die Schichten 30 der Kartusche 10, also ein poröses polymeres Material, besonders Polycarbonat, in das Körper 40 eingebettet sind. In einer anderen Ausführungsform besteht die Fritte 50 aus dem lonenaustauscher- Mischbettharz, ist also mit anderen Worten der Körper 40. Die Dicke der Fritte 50 kann beliebig gewählt werden, wobei eine größere Dicke mit einer höheren Effizienz korreliert, da die im Fluid gelösten Ionen beim Durchwandern der Fritte 50 über einen längeren Zeitraum mit dem lonenaustauschermaterial interagieren können. Die Dicke der Fritte 50 ist dabei durch den Druck begrenzt, der der Kartusche 10 zum Bewegen des Fluids bereitgestellt werden kann. Es ist möglich, mehrere Fritten 50 hintereinander im Strömungskanal 20 anzuordnen. Diese können dann jeweils Anionen- und Kationenaustauscherfritten sein.
In Fig. 8 ist ein Strömungskanal 20 dargestellt, dessen untere Begrenzung durch die Schicht 33 und die obere Begrenzung durch die Schicht 32 gebildet wird. In der Oberfläche der Schicht 33 sind Körper 40 angeordnet. Eine entsprechende Anordnung kann wie zu den Fig. 5 und 6 erklärt bereitgestellt werden. Diese werden in dieser Ausführungsform damit tangential von einer ionischen Flüssigkeit (Strömungsrichtung angedeutet durch die Pfeile) angeströmt. Alternativ ist auch eine Auskleidung der Schicht 33 (oder weiterer den Strömungskanal 20 bildenden Schichten 30) mit lonenaustauscher- Mischbettharz möglich.
In Fig. 9 ist eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Kartusche 10 in der Ausbildungsform als Kartusche 12 mit zwei Strömungskanälen anhand eines Fließdiagramms dargestellt. In einem ersten Schritt S1 werden vier Schichten 31 , 32, 33, 34 aus porösem Polycarbonat (oder einem anderen geeigneten polymeren Material) bereitgestellt, die in Abhängigkeit von ihrer geplanten Position innerhalb der Kartusche eine Form aufweisen, die die Ausbildung mindestens eines Strömungskanals und eines Gehäuses ermöglichen. Konkret weisen die erste Schicht 31 und die dritte Schicht 33 abschnittsweise jeweils unterschiedliche Materialdicken auf, so dass sie in den Abschnitten mit geringerer Dicke die Ausbildung des ersten 21 bzw. zweiten Strömungskanals 22 ermöglichen. Die zweite Schicht 32 weist einen Tunnel auf, der zum Ausbilden einer fluiden Verbindung 23 zwischen dem ersten 21 und dem zweiten Strömungskanal 22 vorgesehen ist.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Körper 40 oder eine Anzahl von Körpern 40 bereitgestellt, die ein lonenaustauscher-Mischbettharz aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Körper 40 aus dem lonenaustauscher-Mischbettharz. Die Körper 40 können beim Zusammenbau der Kartusche 10 einfach integriert werden. Möchte man die Körper 40 wie in einem „Sandwich“ in dem gewünschten Strömungskanal 20 statisch einklemmen, bietet sich eine vorherige Größenselektion, z. B. durch Siebung an. Durch ein statisches Einklemmen der Körper 40 kann ein Verrutschen und mögliches Blockieren der Strömungskanäle 20 verhindert werden. Außerdem kann ein Entweichen der Körper 40 aus der Kartuschenstruktur verhindert werden, was beim Aufbauprozess mittels Laserschweißen zu Problemen führen könnte. Dies ist besonders wichtig, da sich die Körper 40 elektrostatisch aufladen und von ihrer vorgesehenen Einbauposition verspringen könnten. Eine Platzierung der Körper 40 in dem vorgesehenen Strömungskanal 20 lässt sich auch durch ein Ausstreichen der Körper 40 auf einer entsprechenden Schicht 30 ermöglichen, wodurch die Körper 40 in Vertiefungen in der Schicht 30 gelangen. Bereiche, die frei von Körpern 40 bleiben sollen, können abgedeckt werden oder während der Einbringung der Körper 40 kurzzeitig mit einem Negativ der entsprechenden Schicht 30 versehen werden. Überflüssige Körper 40, welche ein sauberes Verschließen der Kartusche beim Herstellungsprozess verhindern, können z. B. durch Schütteln, Abstreichen oder ein Gebläse entfernt werden.
In einem dritten Schritt S3 werden die Schichten 30 und der oder die Körper 40 derart miteinander angeordnet, dass ein Strömungskanal ausgebildet wird und sich die Körper in mindestens einem Teilbereich des Strömungskanals befinden und nicht aus dem Strömungskanal hinausgelangen können.
In einem vierten Schritt S4 werden die Schichten 30 zusammengefügt. Das Zusammenfügen kann z.B. durch Laserschweißen, Kleben oder eine andere geeignete Methode durchgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Folie 60 bereitgestellt. Die Folie 60 besteht aus einem porösen polymeren Material, z.B. Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid oder Polyamid und/oder weiterer Polymere mit Glasübergangstemperaturen vergleichbar zu der von Polystyrol, aus dem das lonenaustauscher-Mischbettharz der Körper 40 bevorzugt besteht. Die Folie 60 wird beim Aufbau der Kartusche in diese integriert, und zwar so, dass sie zumindest den Tunnel der zweiten Schicht 32 abdeckt, so dass ein fluides Medium, d.h. eine ionische Lösung, auf jeden Fall hindurchströmt.
Die Folie 60 ist in einer Ausführungsform zum Abfangen eingespülter Körper 40, auch in Pulverform, in eine Kartusche 12 mit zwei Strömungskanälen 21 , 22 vorgesehen. Diese werden in einer Trägerflüssigkeit vorgelagert und zum gewünschten Zeitpunkt in die Kartusche 12 eingespült (Fig. 10A). Durch die Strömung einer durch die Kartusche 12 geleiteten ionischen Flüssigkeit werden die Körper 40 an der fluiden Verbindung 23 durch die Folie 60 abgefangen (Fig. 10B). Möglich ist auch eine direkte Vorlagerung auf der Folie 60, bevor eine ionische Flüssigkeit über das lonenaustauscher-Mischbettharz befördert wird. Der „Filterkuchen“ aus lonenaustauscher-Mischbettharz stellt hierbei das effektive Volumen zur Reduktion der lonenkonzentration der ionischen Flüssigkeit dar.
Das Deionisierungsvermögen (auch totale Kapazität) eines lonenaustauscher- Mischbettharz-Systems wird in Datenblättern typischerweise in Äquivalenten pro Liter (eq/l) angegeben. Es bezeichnet die relativ zur Wertigkeit (Valenz) eines zu bindenden Ions verfügbare Anzahl der Aktivgruppen (~ 6,02- 1023 je Äquivalent und Valenz = 1 , abgeleitet aus der Avogadro-Konstanten), die in einem Liter Harzmischung an einer Sorte von Austauscher-Harzkörnern vorzufinden ist. Generell wird, je nach eingesetzter Aktivgruppe, zwischen stark und schwach sauren Kationenaustauschern (Strongly Acidic Cation Exchange Resins bzw. SACs und Weakly Acidic Cation Exchange Resins bzw. WACs) sowie zwischen stark und schwach basischen
Anionenaustauschern (Strongly Basic Anion Exchange Resins bzw. SBAs und Weakly Basic Anion Exchange Resins bzw. WBAs) mit jeweils unterschiedlichen totalen Kapazitäten unterschieden.
Beispielhaft kann die Deionisierungseffizienz anhand eines Ionenaustauscher- IM ischbettharzes des Typs Purolite MB 400 beschrieben werden (Datenblatt https://www.prest.ro/wp-content/uploads/2018/09/Purolite-MB400.pdf). Es handelt sich um ein lonenaustauscher-Mischbettharz, dessen Aktivgruppen im Kationenaustauscher Sulfonate (-SO3- und damit SACs, gebunden mit H+ in Lieferform) mit einer totalen Kapazität von 1 ,9 eq/l und im Anionenaustauscher quaternäre Ammoniumionen (-N(CH3)3+ und damit SBAs, gebunden mit OH“ in Lieferform) mit einer totalen Kapazität von 1 ,3 eq/l sind (das Volumenverhältnis aus Kationen- zu Anionenaustauscher beträgt 40 % zu 60 %). Die mittlere Massendichte (Schüttgewicht) der Harzmischung beträgt 722,5 g/l. Polystyrol-Kügelchen als Polymer-Träger besitzen eine mittlere Massendichte von 1050 g/l und einen mittleren Durchmesser von 0,6 mm.
Demzufolge können 1 ml einer 150 mM NaCI-Lösung (dies entspricht in etwa physiologischen Bedingungen mit einer Leitfähigkeit von ca. 14000 pS/cm bei 20 °C und einem Probenvolumen, wie es in mikrofluidischen Systemen typischerweise verarbeitet wird) mit einem Mischbettharz (MBH)-Volumen von VMBH = 115,38 pl vollständig deionisiert werden.
MBH-Volumen zur vollständigen Deionisierung von 1 ml 150 mM NaCI- Lösung:
Vci= (0,15 (mol/l)/1 ,3 (eq/l))-1 ml=115,38 pl= VMBH
Hierbei wird angenommen, dass das Harz unverbraucht ist (Einweggebrauch) und eine Deionisierungseffizienz von 100 % vorliegt (der Elektrolyt kommt vollständig in Kontakt mit dem MBH und es liege eine Sättigung in der Deionisierungsreaktion vor). Das notwendige MBH-Volumen ist damit ausreichend klein (< 1 ml), um in einem Mikrofluidiksystem noch relativ einfach integriert werden zu können. Im Vergleich: Um ein äquivalentes Deionisierungsergebnis (also äquivalente elektrische Leitfähigkeit) per Verdünnung zu erhalten, muss ein
13999 ml/0, 11538 ml=1 ,21 -105 größeres Volumen an deionisiertem Wasser verwendet bzw. im Mikrofluidiksystem vorgelagert werden. Zu beachten ist, dass unter Einsatz eines MBH die Konzentration des Analyten nicht verringert wird.
Andererseits ist das MBH-Volumen groß genug, um in einer Serienfertigung noch zuverlässig gehandhabt werden zu können. In VMBH = 115,38 pl lonenaustauscher-Mischbettharz befinden sich ca.
NKugel = mMBH/rriKugel = VMBH*PMBH/(4/3'TT R3 pKugel)
= 115,38 mm3'722,5 pg/mm3/ (4/3 TT- (0,3 mm)3- 1050 pg/mm3)
« 702
Körper 40.
Die Folie 60 kann auch mit lonenaustauscher-Mischbettharz funktionalisiert werden. In Fig. 11 ist der Prozess einer Funktionalisierung der Folie 60 mit Körpern 40 dargestellt. Dabei werden die Körper 40 über beheizbare Rollen 70 in die poröse Polymerträgerfolie 60 eingearbeitet. Dabei wird eine funktionalisierte Folie 61 produziert. Die obige Herleitung zum notwendigen Volumen der Körper 40 kann bei einer Monolage auf einer Fläche der Folie 60 von ca.
AMBH = NKugei TT R2 = 702 TT' (0,3 mm)2« 198,5 mm2 bezogen werden. Unter der Annahme, dass die Kügelchen porös und damit fluidisch durchströmbar sind, entspricht dies einer Träger-Folie 60 mit effektiven Abmessungen ~ 14 mm x 14 mm, was durchaus kompatibel mit klassischen Mikrofluidiksystemen (Kreditkarten-Format) ist. Dieser Flächenbedarf kann durch Stapelung mehrerer Folien 60 bzw. MBH in einer Monolage (2D) zu einem Mehrlagen-System (3D) weiterhin reduziert werden. Der Rollenabstand der Rollen 70 ist so zu wählen, dass eine möglichst stabile aber dennoch flexible funktionalisierte Folie 61 entsteht. Werte für dges können demnach z. B. zwischen 10 und 1000 pm liegen. Der Durchmesser der Harz- Kügelchen dHarz sollte (geringfügig) größer als die Dicke der Träger-Folie 60 dpoiie bzw. als die Porenöffnungen ihres Geflechts sein, damit diese nicht einfach durch die Träger-Folie 60 hindurch fallen, sondern stabil mit dieser verschweißt werden können.
Die funktionalisierte Folie 61 kann dann beim Aufbau der mikrofluidischen Kartusche 10 in die Kartusche 10 integriert werden. In einer ersten Ausführungsform wird die Folie 61 in gleicher Weise wie die unfunktionalisierte Folie 60 zwischen der zweiten und der dritten Schicht in einer Kartusche 12 angeordnet, so dass die ionische Flüssigkeit auf jeden Fall hindurchströmt und Ionen von dem lonenaustauscher-Mischbettharz gebunden werden (Fig. 12).
In einer zweiten Ausführungsform wird die Folie 61 mit einer Kartusche 11 entlang des Strömungskanals 20 angeordnet. Hierbei wird die Folie 61 tangential von der ionischen Flüssigkeit angeströmt (Fig. 13).
Das effektive Volumen beruht auf der Dicke der Folie 61 , die mit der effektiv durchströmten oder angeströmten Fläche der Folie 61 multipliziert wird. Das effektive Volumen zur Deionisierung bezieht sich mit anderen Worten auf die Stelle des Strömungskanals, in der dieser durch die ionische Flüssigkeit durchströmt (Kartusche 12) oder tangential angeströmt (Kartusche 11 ) wird, um in dieser die lonenkonzentration zu reduzieren.
In Fig. 14 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reduzieren einer lonenkonzentration in einem fluiden Medium mittels einer Kartusche 10 noch einmal als Fließdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird eine Kartusche 10 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S2 wird eine ionische Flüssigkeit, z.B. eine Flüssigkeit mit Makromolekülen, in der auch Salzionen gelöst sind, in den Strömungskanal 20 eingespült. In einem dritten Schritt S3 wird die ionische Flüssigkeit in dem Strömungskanal 20 für eine Zeitdauer von 10 min (oder einer anderen geeigneten Zeitdauer) inkubiert. Durch Einstellen des Fluidstroms können Ionenaustauscher und die ionische Flüssigkeit beliebig lang miteinander inkubiert werden. Danach wird das fluide Medium in einem vierten Schritt S4 zur weiteren Verwendung aus dem Strömungskanal 20 ausgeleitet.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofluidisches System mit einem Gehäuse und mindestens einem innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Strömungskanal (20), wobei in mindestens einem Teilbereich des Strömungskanals (20) mindestens ein Körper (40), der ein lonenaustauscher-Mischbettharz aufweist, angeordnet ist, und zumindest der Strömungskanal (20) aus einem porösen Material ausgebildet ist, wobei das lonenaustauscher- Mischbettharz durch seine Anionen- und Kationenaustauscher- Eigenschaften zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums bereitgestellt ist.
2. System nach Anspruch 1 , in dem der Körper (40) derart angeordnet ist, dass er beim Durchströmen des Strömungskanals (20) von dem fluiden Medium umströmt werden kann.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Körper (40) aus einem lonenaustauscher-Mischbettharz besteht.
4. System nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Körper (40) mindestens in einem Teil des Materials eingebettet ist, das den Strömungskanal (20) ausbildet.
5. System nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem polymeres poröses Material mit dem Körper (40) derart im Strömungskanal (20) angeordnet ist, dass es von dem fluiden Medium durchströmt werden kann.
6. System nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem polymeres poröses Material mit dem Körper (40) derart im Strömungskanal (20) angeordnet ist, dass es von dem fluiden Medium tangential angeströmt werden kann.
7. System nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem im Bereich des Strömungskanals (20) eine Folie (60, 61 ) aus einem polymeren porösen Material angeordnet ist.
8. System nach Anspruch 7, bei dem die Folie (61 ) mit lonenaustauschergruppen funktionalisiert ist.
9. System nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem innerhalb des Gehäuses ein erster Strömungskanal (21 ) und ein zweiter Strömungskanal (22) ausgebildet sind, die miteinander in fluider Verbindung (23) stehen.
10. System nach Anspruch 9, bei dem die Folie (60, 61 ) zwischen dem ersten Strömungskanal (21 ) und dem zweiten Strömungskanal (22) angeordnet ist.
11 . Verfahren zum Herstellen einer Kartusche (10) umfassend ein System gemäß einem der Ansprüche 1 - 10, mit den Schritten:
- Bereitstellen einer Anzahl von Schichten (30) aus einem polymeren Material, die in Abhängigkeit von ihrer geplanten Position innerhalb der Kartusche (10) eine Form aufweisen, dass sie innerhalb des Gehäuses einen Strömungskanal (20) ausbilden können, und zumindest der Strömungskanal (20) aus einem porösen Material ausgebildet wird,
Bereitstellen mindestens eines Körpers (40), der ein lonenaustauscher-Mischbettharz aufweist,
- Anordnen der Schichten (30) und des Körpers (40) derart miteinander, dass ein Strömungskanal (20) ausgebildet wird und sich der Körper (40) in mindestens einem Teilbereich des Strömungskanals (20) befindet und nicht aus dem Strömungskanal (20) hinausgelangen kann,
- Zusammenfügen der Schichten. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei der Körper (40) mit den Schichten (30) bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei eine Folie (60, 61 ) aus einem polymeren Material bereitgestellt wird. Kartusche (10) zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums, hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 - 13. Verfahren zum Reduzieren der lonenkonzentration eines Salzes oder einer kontaminierenden Verbindung eines makromolekulare Verbindungen und/oder zelluläre Strukturen aufweisenden fluiden Mediums mittels einer Kartusche (10) gemäß Anspruch 14, mit den Schritten:
- Bereitstellen der Kartusche (10),
- Einspülen des fluiden Mediums in den Strömungskanal (20),
- Inkubation des fluiden Mediums in dem Strömungskanal (20),
- Ausleiten des fluiden Mediums aus dem Strömungskanal (20) zur weiteren Verwendung.
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