EP4590435A1 - Druckversorgungseinheit und verfahren zur bereitstellung eines ersten ziel-druckniveaus und eines zweiten ziel-druckniveaus für ein mikrofluidisches analysesystem, mikrofluidisches analysesystem - Google Patents

Druckversorgungseinheit und verfahren zur bereitstellung eines ersten ziel-druckniveaus und eines zweiten ziel-druckniveaus für ein mikrofluidisches analysesystem, mikrofluidisches analysesystem

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EP4590435A1
EP4590435A1 EP23771778.0A EP23771778A EP4590435A1 EP 4590435 A1 EP4590435 A1 EP 4590435A1 EP 23771778 A EP23771778 A EP 23771778A EP 4590435 A1 EP4590435 A1 EP 4590435A1
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EP
European Patent Office
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pressure level
supply unit
target pressure
pump
target
Prior art date
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Application number
EP23771778.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ronny Leonhardt
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
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    • F04B43/043—Micropumps
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Definitions

  • DE 102018 114 150 A1 discloses a device and a method for separating a fluidic sample, wherein the sample separation device has only one pump for moving the respective mobile phase for all separation stages. Given this implementation of only a single high-pressure pump as a fluid drive, the first-dimensional analysis and the second-dimensional analysis are not carried out in parallel but one after the other.
  • the invention relates to a pressure supply unit for providing a first target pressure level and a second target pressure level, a method for providing a first target pressure level and a second target pressure level, a microfluidic analysis system, and also a control device that uses the aforementioned method, as well finally a corresponding computer program according to the main claims.
  • An advantage of the invention with the features of the independent claims is that a compact pressure supply unit with a simplified structure and simplified control for providing two different target pressure levels, ie specific or fixed pressure levels, is provided, which can also be manufactured cost-effectively.
  • a pressure supply unit according to claim 1 for providing a first target pressure level and a second target pressure level, the first target pressure level and the second target pressure level differing from one another.
  • the pressure supply unit comprises a pump for sucking in a fluid, in particular a gas, such as air, a first component for fluid flow control, which
  • ⁇ is arranged on a first side of the pump
  • ⁇ is arranged on a second side of the pump
  • Pressure supply units are set up to generate pressure levels and other systems that are connected to the pressure supply unit or can be connected, to be supplied with fluid, in particular with compressed air.
  • the pressure supply unit according to claim 1 is designed to supply other systems with a fluid that has a certain pressure (for example compressed air), that is, for example, with a high pressure level, in particular up to 3000mbarA, and/or a vacuum pressure level, in particular up to 200mbarA.
  • the pressure supply unit can, for example, be or be connected to other systems via at least one pneumatic interface.
  • the target pressure levels are the pressure levels that can be provided by the pressure supply unit for a consumer/system.
  • the first target pressure level corresponds to 400mbarA +/- 100mbar and the second target pressure level corresponds to 2500mbarA +/- 100mbar.
  • current pressure level refers to a current pressure value, such as 2300 mbarA.
  • the current pressure levels are adjusted using the pump and the fluid flow control components until they correspond to the respective target pressure levels, i.e. in particular, they are within the tolerance range around the target pressure values.
  • the pressure supply unit is arranged in an environment in which a fluid, in particular a liquid or a gas, such as air, can be arranged.
  • a fluid in particular a liquid or a gas, such as air
  • the environment is characterized by the fact that it is filled with a fluid or can be filled with one.
  • the environment can in particular include the entirety of what surrounds the pressure supply unit; it can be designed as an open volume or limited volume such as a room, a housing, a container, a fluid reservoir, etc.
  • the pump for sucking in the fluid can be designed, for example, as a single pump, for example as a double-head pump.
  • the pump can comprise a membrane pump, a fan or a compressor.
  • the pump is set up to pump the fluid.
  • the pump connects reservoirs, that is, containers or Areas for receiving the fluid, with each other and can transport the fluid between the reservoirs, ie in particular suck it out of one reservoir and pass it on into another reservoir.
  • the pump can suck the fluid from an environment of the pressure supply unit and forward it to a system, such as a pressure vessel, a microfluidic analysis system for carrying out a sample analysis, in particular the test module units of the analysis system, etc., in which the fluid is required.
  • a system such as a pressure vessel, a microfluidic analysis system for carrying out a sample analysis, in particular the test module units of the analysis system, etc., in which the fluid is required.
  • Fluid flow control is understood to mean, in particular, both a blocking/blocking of a fluid flow, a mixing of fluid streams and a diversion or redirection of the fluid flow.
  • the pump is arranged between two sides of the pressure supply unit, the first side and the second side.
  • the pages specifically designate areas in which different pressure levels can be set.
  • containers such as hydraulic accumulators or pressure vessels, can be arranged on the different sides, in each of which a pressure can be generated corresponding to the respective target pressure level.
  • components for fluid flow control as well as lines which connect the various units and components to one another and through which the fluid can move between the various units and components are arranged on the sides.
  • Each side can, for example, be connected to a system or subsystem, in particular a test module of a microfluidic analysis unit, by means of an interface or a connection for fluid forwarding, and can provide a pressure level for it by forwarding the fluid of the respective side, i.e. H.
  • a compact pressure supply unit can be realized by designing the supply circuit so that both target pressure levels can be generated with a single pump and made available to a system connected to the pressure supply unit. Furthermore, a pump in the overall pressure generation system can thus advantageously be saved which, in addition to the installation space, can also reduce costs and the complexity of the control in terms of parallel control methods. Another positive effect is that the number of noise sources (pumps) is reduced, making the system quieter and therefore more user-friendly.
  • the first component for fluid flow control can be connected to a first storage volume, in particular a first fluid storage, in particular gas storage, and/or the second component for fluid flow control can be connected to a second storage volume, in particular a second fluid storage, in particular gas storage.
  • a first storage volume in particular a first fluid storage, in particular gas storage
  • the second component for fluid flow control can be connected to a second storage volume, in particular a second fluid storage, in particular gas storage.
  • the elasticity of the system can be increased and pressure peaks that can arise due to possible switching of the components for flow control (in particular the valves), due to the start-up of the pump or due to design-related pulsations can be cushioned. If only a pure spring effect across the volumes is desired, it is recommended to select a volume of 5-10 percent of the volume flow at the design operating point. If the storage function is also to be addressed with the pressure supply unit, which is particularly important in a shutdown mode, the volume must be designed accordingly depending on the components installed in the system and should be designed in such a way that the system components are able to function from the storage for 30 to 120 seconds can be supplied when the pump is not being operated.
  • the first side is designed as a low-pressure area and the second side as a high-pressure area, wherein in the low-pressure area a low-pressure level can be provided as the first target pressure level, and wherein in the high-pressure area a high-pressure level can be provided as the second target pressure level.
  • a system connected to this pressure supply unit can therefore advantageously be supplied with a low pressure level and a high pressure level, with only one pump being used instead of two.
  • the first target pressure level and the second target pressure level each have a target pressure value of 400mbarA, 2500mbarA or a target pressure value in the range of 400mbarA and 2500mbarA system pressure, as well as a tolerance range around the respective target pressure value, in particular +/ - 100 mbar, whereby the first target pressure level and the second target pressure level differ from one another, that is, in particular, that the respective target pressure values of the target pressure levels differ from one another.
  • At least one pressure sensor unit for pressure regulation and/or for controlling a safety shutdown is arranged on the first side and/or the second side.
  • it can be used to measure the current pressure levels.
  • monitoring but also intermittent operation of the pump is possible in order to reduce its running time and thus in particular to minimize noise generation.
  • the pressure sensor unit can include, for example, a MEMS pressure sensor.
  • the first component for fluid flow control and the second component for fluid flow control are dimensioned such that a pressure loss across these components is less than or equal to 5% of the system pressure (the system pressure here corresponds to the ambient pressure, i.e. the pressure of the environment) because otherwise the hysteresis is too dependent on the system.
  • the pressure loss should be very small.
  • pneumatics the pressure losses tend to be very small compared to hydraulics.
  • the aim is to keep the pressure loss across the valves small compared to the working pressure so as not to limit the efficiency of the pump too much. This should not exceed 5 percent of the system pressure and should be as minimal as possible.
  • One advantage is that this can increase the efficiency and reliability of the pressure supply unit.
  • the first component and/or the second component for fluid flow control comprise a switching valve, in particular a 3/2-way valve.
  • a switching valve in particular a 3/2-way valve.
  • the first component and/or the second component for controlling the fluid flow comprise a check valve.
  • the target pressure level in the respective circuit i.e. on the respective side
  • the target pressure level in the respective circuit is set here via the opening pressure of the spring of the check valve in question.
  • passive check valves are used for both components, for example, whose springs are dimensioned such that they: open on the first side (here: low-pressure or vacuum side) when the vacuum pressure (first current pressure level) falls below a critical pressure value, for example 400 mbarA (opening here means that the fluid on the first side can flow from the environment into the pressure supply unit); open on the second side (here: high-pressure side) when the high pressure (second current pressure level) is above a critical pressure value, for example 2500 mbarA (opening here means that the fluid on the second side can escape into the environment).
  • One advantage is that a structurally very simple pressure supply unit can be realized, which enables further cost and complexity reductions.
  • such an embodiment can be selected if the first and second target pressure levels are firmly defined and should not be variably adjustable and correspond to a fixed operating point.
  • the pressure range can advantageously be fixed in terms of hardware and defined very well, which represents a robust solution.
  • Pressure supply unit by allowing fluid flow ⁇ from the first side of the pressure supply unit to the pump, provided that a first current pressure level on the first side is greater than the first target pressure level, and
  • ⁇ from the pump into the environment of the pressure supply unit provided that a second current pressure level on the second side is greater than the second target pressure level or equal to the second target pressure level, result directly from the advantages mentioned for the pressure supply unit.
  • two different target pressure levels can be provided for a system/a consumer by means of a pump, in particular a single pump, by controlling the fluid flow depending on the current pressure levels, that is, in other words, that the fluid in Dependence of the current pressure levels either between the two sides of the pressure supply unit or between the environment and one side flows / flows and thus the target pressure levels on the two sides can be set without using another pump.
  • the redirection/diversion of the fluid flow depending on the respective current pressure level is carried out in particular by means of the components for fluid flow control, which are connected through fluid lines (also called fluid channels) in which the fluid can flow/flow, with the pump, the environment and interfaces for connecting a consumer (for example a system or subsystem, a microfluidic analysis system or a test module unit of a microfluidic analysis system, etc.) are connected.
  • a consumer for example a system or subsystem, a microfluidic analysis system or a test module unit of a microfluidic analysis system, etc.
  • Demand-controlled means when at least one of the target pressures is not within the limit.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control device.
  • the microfluidic analysis system can comprise a pressure supply unit according to one of the aforementioned embodiments or can be connectable to one, in particular by connecting the fluid channels of the pressure supply unit via interfaces, in particular pneumatic interfaces, to fluid channels of the test module unit.
  • the test module unit is supplied with the first target pressure level and the second target pressure level, which can be provided by the pressure supply unit at the connections/(pneumatic) interfaces of the pressure supply unit.
  • a microfluidic analysis system for carrying out a sample analysis, comprising a test module unit for sample collection for a molecular diagnostic analysis
  • microfluidic elements of the test module unit can be controlled by means of the first target pressure level and/or the second target pressure level
  • a microfluidic analysis system is a small pneumatic device, especially a medical device.
  • VivalyticO platform Robot Bosch GmbH
  • VivalyticO platform Robot Bosch GmbH
  • the sample material such as a swab, blood, urine, etc.
  • the cell membrane is opened and the DNA and RNA molecules are released.
  • they are filtered, multiplied and detected. Even the smallest amounts of DNA and RNA can be detected in the sample material.
  • the microfluidic analysis system includes at least one test module unit, which includes all necessary peripheral components to carry out a molecular diagnostic analysis.
  • peripheral components can include, for example, the following components: heating elements, a cartridge insertion mechanism, a pneumatic manifold for distributing and controlling valves, a clamping device for the cartridge and pressure containers (ie pneumatic accumulators) to maintain a minimum amount of compressed air as a reservoir and/or an optical unit in order to be able to detect the fluidic reaction results within the cartridge.
  • the optical unit can be used for sample analysis such as for fluorescence measurements on the sample, whereby it in particular may include an optical sensor unit and a lighting source.
  • the test module is supplied with pressure (i.e. the first target pressure level and the second target pressure level) and usually does not include any internal possibility for generating pressure, but only connections/interfaces through which the pressurized fluid, for example compressed air, is supplied from the pressure supply unit can be.
  • the pressure supply unit can be integrated into the test module, i.e. H. in particular that they are then firmly connected to each other.
  • sample transport can in particular be understood to mean a movement of the sample, in particular a sample liquid, in the test module unit.
  • the sample transport is in particular a fluid transport.
  • the sample is taken up by the test module unit by entering a cartridge into the test module unit, with the sample first being entered into the cartridge.
  • the sample is processed partially or fully automatically within the cartridge, for example for analyzing the sample, in particular for carrying out diagnostic tests.
  • the sample is in particular a sample liquid.
  • the microfluidic elements can in particular be microfluidic valves and (pump) chambers. At least two pressure levels, here the target pressure levels, are used to control the microfluidic elements. In particular, the target pressure levels are controlled and provided by the pressure supply unit, which has a pneumatic interface to the test module unit.
  • the test module unit can, for example, comprise one test module or several test modules, which are supplied with the first and second target pressure levels by the pressure supply unit.
  • the test module unit can be connected or connectable to the first and second sides of the pressure supply unit, in particular via a connection or a pneumatic interface, with a fluid line on the first and second sides.
  • a rack solution for the microfluidic analysis system can be implemented. This can then be fed as a whole or in several discrete units using appropriate pressure supplies.
  • vacuum up to 200mbarA is selected as the first target pressure level and pressures up to 3000mbarA are selected as the second target pressure level.
  • the working range is at target pressure levels of 400mbarA and 2600mbarA,
  • An example of a microfluidic analysis system that is supplied overall by the target pressure levels is a microfluidic analysis system that diagnoses cartridges by setting the two target pressure levels to one each Cartridge valves can be controlled and liquids can be moved, directed, controlled and/or mixed on the cartridge.
  • control device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one storage unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or at least have a communication interface for reading or outputting data.
  • a control device can be an electrical device be understood, which processes sensor signals and, depending on this, outputs control and / or data signals.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard drive memory or an optical memory and is used to carry out, implement and / or control the steps of the method of one of the embodiments described above particularly if the program product or program is executed on a computer or device.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a pressure supply unit according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a pressure supply unit according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method for providing a first target pressure level and a second target pressure level
  • FIG. 4 shows a schematic sketch of a microfluidic analysis system according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic sketch of a microfluidic analysis system according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic sketch of a microfluidic analysis system according to a fifth exemplary embodiment.
  • Embodiments of the invention. 1 shows a schematic structure of a pressure supply unit 100 according to an exemplary embodiment, in particular a basic connection option for a single-circuit system solution.
  • the pressure supply unit 100 includes a pump 103, which is arranged between a first side 1001 and a second side 1002 of the pressure supply unit 100. On the first page 1001 there is a first component
  • the first component 1071 for controlling the fluid flow is formed in Fig. 1 by an electrically actuated 3/2-way valve that is closed in the basic position and has a built-in mechanical spring for resetting.
  • the second component 1072 for controlling the fluid flow is formed in Fig.
  • the two 3/2-way valves are designed to alternately connect the pump 103 via silencers 104 to the environment 108 of the pressure supply unit 100 and to pneumatic interfaces (connections 1081, 1082) at which the target pressure levels 1051, 1052 are provided, wherein a system, in particular a microfluidic analysis system, is connected or can be connected to the pressure supply unit 100 via the pneumatic interfaces 1081, 1082.
  • the system can be supplied with the first target pressure level 1051 via the first connection 1081 and the system can be supplied with the second target pressure level 1052 via the second connection 1082.
  • the pump 103 can be designed, for example, as a membrane pump, which can be used in most standard versions for both vacuum and high pressure, as a fan or as a compressor.
  • the pump 103 sucks in a fluid, such as room air, via an upstream switching valve 1071, here as a 3/2-way design.
  • a fluid such as room air
  • an upstream switching valve 1071 here as a 3/2-way design.
  • ambient pressure is sucked in during de-energized, open operation, so that the pump 103 functionally corresponds to standard operational operation.
  • valve 1072 here also as a 3/2-way version, on the high-pressure side (corresponds to the second side 1002) is not activated, pressure can build up in the storage container 1002 on this constructed and made available to the system, for example the microfluidic analysis system.
  • the pump 103 works as a standard vacuum pump by sucking fluid from the system via the low-pressure connection 1081, thereby generating negative pressure on the first side 1001 and sending it to the environment 108 (here the connection is on the environment 108 is provided with a silencer 104).
  • a storage volume 1021, 1022 is provided on both sides of the pump 103 in order to increase the elasticity of the system and to cushion pressure peaks that can arise from possible switching of the valves 1071, 1072, from the starting of the pump 103 or from pulsations due to its design. If only a pure spring effect via the storage containers 1021, 1022 is desired, it is recommended to select a volume of 5-10 percent of the volume flow at the design operating point.
  • the volume should be designed depending on the components installed in the system, for example a microfluidic analysis system connected to the pressure supply unit, and should be designed so that the system components for their function over 30-120 seconds can be supplied from the memories 1021, 1022 when the pump 103 is not operated.
  • the pressure valves 1071, 1072 should generally be dimensioned such that the pressure loss across the valves 1071, 1072 is small compared to the working pressure in order not to limit the efficiency of the pump 103 too much. This should not exceed 5 percent of the system pressure and should be as minimal as possible.
  • Pressure sensors 1062 and 1061 should be provided for monitoring, but also to enable intermittent or shutdown operation of the pump in order to reduce its running time and thus minimize noise generation, so that safety shutdowns and also simple pressure controls can be implemented.
  • pressure sensor units 1061, 1062 for monitoring the pressure, in particular for measuring the respective current pressure value are arranged on both sides 1001, 1002 between valve 1071, 1072 and storage container 1021, 1022.
  • the described working mode of (standard) pressure or vacuum generation is possible with the constellation shown and essentially corresponds to a dual-circuit design (ie one pump 103, in particular one pump at a time, is used to provide each target pressure level, which in the present case would correspond to two pumps, hence a dual-circuit design), which here essentially share a pump 103, in the form of an X-shape design.
  • the performance range of the pump 103 can be selected so that the pneumatic performance corresponds to the maximum from both partial circles (ie the first side 1011 and the second side 1002) and the target pressure levels 1051, 1052, for example operation between 200mbarA and 3000mbarA system pressure can be met.
  • the pump 103 can also be operated in combination: If a pump with a sufficient performance range is selected, the pump can simultaneously provide low pressure as the first target pressure level 1051 as well as with the appropriate valve position (low-pressure valve 1071 energized; high-pressure valve 1072 de-energized). Generate high pressure as a second target pressure level 1052 and provide it to the system, for example the microfluidic analysis system.
  • both current pressure ranges are not in the tolerance range around the target pressure value, ie they do not correspond to the respective target pressure level 1051, 1052, according to the control, for example target pressure +/-100 mbar
  • the pump sucks fluid from the low pressure range, ie the first side 1001, whereby it is vacuumized, and feeds the amount of gas directly into the high pressure area, ie the second side 1002.
  • the target pressure level is reached in one of the partial circles, ie on one of the sides 1001, 1002, the corresponding valve 1071, 1072 on this side 1001, 1002 is switched to ambient in order to suck in the pumped fluid from the surroundings (vacuum side 1001).
  • the pump if it is operated as a continuous running pump, can be connected to the environment in both the suction and pressure areas via the valves 1071, 1072, that is to say it can be operated in the so-called idle mode. This makes particular sense if the proportion of this operating phase is very small compared to the other three operating modes (t ⁇ 10 percent). Alternatively, the pump can then be operated in shutdown mode.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a pressure supply unit 100 according to an exemplary embodiment, which differs in particular from the exemplary embodiment shown in FIG. 1 in that check valves 1011, 1012 are used here instead of switching valves 1071, 1072 as components for controlling the fluid flow. This is one opposite that shown in Fig. 1
  • Embodiment structurally simplified embodiment variant, which enables further cost and complexity reductions and can be used in particular when the working pressure level, i.e. H. the first target pressure level 1051 and the second target pressure level 1052, is firmly defined and should not be variably adjustable.
  • the working pressure level i.e. H. the first target pressure level 1051 and the second target pressure level 1052
  • the pressure supply unit 100 includes a pump 103, which is arranged between the first side 1001 and the second side 1002 of the pressure supply unit 100.
  • a pump 103 On the first side 1001 there is a first component 1071 for fluid flow control and on the second side 1002 there is a second component 1072 for fluid flow control, which is connected via fluid channels to the pump 103, the environment 108 (or silencers 104).
  • a first pneumatic interface 1081 at which a first target pressure level 1051 can be provided
  • a second pneumatic interface 1082 at which a second target pressure level 1052 can be provided
  • storage containers 1021, 1022 which are between the interfaces 1081, 1082 and the valves 1071, 1072 are arranged, are connected.
  • first page 1001 • open on the vacuum side (here: first page 1001) if the current pressure level on the first side 1001 is below a critical value (i.e. below the first target pressure level 1051, in particular target pressure value minus tolerance range), for example 300 mbar, falls and
  • a critical value i.e. below the first target pressure level 1051, in particular target pressure value minus tolerance range
  • This embodiment variant of a pressure supply can also be used in shutdown mode if pressure sensors 1061, 1062 are used that allow regulation. Otherwise, such an embodiment is preferably suitable for the continuous operation of the pump 103. If the opening pressure of the check valves 1011, 1012 is known accordingly, pressure monitoring (i.e. the pressure sensor units 1061, 1062 in FIG. 2, which are each arranged between the pump 103 and the storage containers 1021, 1022) can be dispensed with, which means that a further cost reduction is possible . The pump 103 should then be operated continuously in order to be able to maintain the target pressure levels 1051, 1052.
  • a 3/2-way valve 1071 as the first component, with the first target pressure level 1051 being generated, as can be seen from the description of FIG. 1, and to use a check valve 1012 as the second component , whereby the second target pressure level 1052, as can be seen from the description of FIG. 2, is generated.
  • a check valve 1011 can also be used as the first component, the first target pressure level 1051 being generated, as can be seen from the description of FIG. 2, and a 3/2-way valve 1072 being used as the second component, whereby the second target pressure level 1052, as can be seen from the description of FIG. 1, is generated. This can happen especially then be advantageous if one of the target pressure levels should be adjustable and the other is fixed.
  • FIG 3 shows a flowchart of a method 200 for providing the first target pressure 1051 and the second target pressure level 1052, in particular using a pressure supply unit 100 according to one of the exemplary embodiments described above, wherein the first target pressure level 1051 and the second target pressure level 1052 differ from each other.
  • the first target pressure level 1051 is provided on the first side 1001, in particular at the first connection 1081 of the pressure supply unit 100, as follows: Depending on the first current pressure level 1053, a fluid flow is controlled as follows:
  • the first component 1071, 1011 controls the fluid flow in such a way that the fluid flow from the first connection 1081 to the pump 103 is interrupted and in particular the pump 103 is instead connected to the environment 108 so that it sucks in fluid from the environment 108.
  • the provision of the second target pressure level 1052 on the second side 1002, in particular at the second connection 1082 of the pressure supply unit 100, is carried out as follows:
  • a fluid flow is controlled as follows:
  • the second component 1072, 1012 for fluid flow control controls the fluid flow in such a way that the fluid flow from the pump 103 to the second connection 1082 is interrupted and in particular instead the pump 103 is connected to the environment so that it forwards the fluid to the environment.
  • a shutdown operation 203 of the pressure supply unit can be used, in which the pump 103 switches off.
  • monitoring of the current pressure levels by pressure sensor units 1061, 1062 is advantageous here, which provide a control signal when at least one of the target pressure levels 1051, 1052 is undershot, which control signal is suitable for ending the shutdown operation 203 by switching on the pump 103 or which is suitable for outputting a warning message to a user or to the system connected to the pressure supply unit 100.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a microfluidic analysis system 300 for carrying out a sample analysis, comprising a test module unit 301 for receiving samples for a molecular diagnostic analysis, the test module unit 301 in this exemplary embodiment comprising a test module 3001
  • a pressure supply unit 100 for providing the first target pressure level 1051 and the second target pressure level 1052,
  • microfluidic elements 302, 303, 304 for sample transport in the test module unit 3000.
  • the peripheral components include an optical unit
  • the peripheral components include a power supply unit 306, for example in the form of a power supply, which in particular provides alternating voltage, and a temperature control unit 307, which is set up to set a temperature in the test module unit, in particular by heating and/or cooling.
  • a power supply unit 306 for example in the form of a power supply, which in particular provides alternating voltage
  • a temperature control unit 307 which is set up to set a temperature in the test module unit, in particular by heating and/or cooling.
  • a mechanical unit 308 is also one of the peripheral components, which, among other things, enables a cartridge 309 to be accommodated (for example a clamping device for the cartridge 309), with the sample being introduced into the cartridge 309.
  • the test module unit 301 is thus set up to take samples.
  • the mechanical unit 308 enables mechanical processing of the sample, such as rotation/centrifugation of the sample.
  • the microfluidic analysis system 300 can be operated as follows: The sample, in particular a liquid sample, is processed within the test module 3001 either in a partially automated or fully automated manner by entering the cartridge 309 into the microfluidic analysis system 300. The sample can be processed in a partially or fully automated manner are carried out in particular by applying different pressure levels (the first and/or the second target pressure level 1051, 1052) to the test module 3001 via a suitable interface between the pressure supply unit 100 and the test module 3001.
  • different pressure levels the first and/or the second target pressure level 1051, 1052
  • the sample is entered into the cartridge 309.
  • the sample is - at least partially - in liquid form, whereby the sample can in particular comprise a biological or medical substance, such as a body fluid (e.g. blood, saliva, etc.).
  • a body fluid e.g. blood, saliva, etc.
  • the cartridge 309 in which the sample is located, is entered or inserted into the test module 3001 and connected to it via the required interfaces that are required to process the sample in the cartridge 309.
  • the sample can now be processed within the test module 3001. Depending on the chosen procedure, the processing can include the following steps: purification, lysis and thermal cycling of liquids, such as PCR processes for detecting specific virus strains, etc.
  • the cartridge 309 can be removed from the test module and an analysis result of the sample can be output by the microfluidic analysis system, for example via an optical display and/or via a communication interface to another device, such as a printer or a mobile device , be transmitted.
  • the pressure supply unit 100 is connected or connectable to the test module unit 301 via the interface 302.
  • the microfluidic elements 302, 303, 304 of the test module unit 3000 can be controlled using the first target pressure level 1051 and/or the second target pressure level 1052.
  • the microfluidic elements include a pneumatic manifold 303 for distributing and controlling valves, and pressure containers 304 (i.e. pneumatic accumulators 1021, 1022) in order to be able to hold a minimum amount of compressed air as a reservoir, as well as an interface 302 to the outside.
  • the pressure supply unit 100 can include the pneumatic accumulators 1021, 1022.
  • test module unit 301 comprising three test modules 3001, 3002, 3003.
  • the test modules are constructed like the test module in Fig. 4.
  • Each of the test modules 3001, 3002, 3003 is connected or can be connected to the pressure supply unit 100 via its pneumatic interface 302.
  • each of the test modules is supplied with the first target pressure level 1051 and the second target pressure level 1052 in parallel with the other test modules.
  • FIG. 6 shows a schematic sketch of a microfluidic analysis system 300, which forms a large parallel system 300", the test module unit 301 comprising nine test modules 3001, 3002, 3003.
  • the nine test modules are divided into three test module units 301, each comprising three test modules 3001, 3002, 3003.
  • the pressure supply unit 100 supplies in parallel the three small parallel systems 300', which in this exemplary embodiment are constructed analogously to the small parallel system 300' shown in FIG. 5, each with the first target pressure level 1051 and the second target pressure level 1052.

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Abstract

Druckversorgungseinheit zur Bereitstellung eines ersten Ziel-Druckniveaus (1051) und eines zweiten Ziel-Druckniveaus (1051), umfassend - eine Pumpe (103) zum Ansaugen eines Fluids, - ein erstes Bauteil (1011, 1071) zur Fluiddurchflusssteuerung auf einer ersten Seite (1001) der Pumpe (103), welches in Abhängigkeit eines ersten aktuellen Druckniveaus (1053) den Fluidfluss steuert und somit zur Bereitstellung des ersten Ziel-Druckniveaus (1051) auf der ersten Seite (1001) der Druckversorgungseinheit (100) eingerichtet ist, sowie - ein zweites Bauteil (1012, 1072) zur Fluiddurchflusssteuerung auf einer zweiten Seite (1002) der Pumpe (103), welches in Abhängigkeit eines zweiten aktuellen Druckniveaus (1054) den Fluidfluss steuert und somit zur Bereitstellung des zweiten Ziel-Druckniveaus (1052) auf der zweiten Seite (1002) der Druckversorgungseinheit (100) eingerichtet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung zweier Ziel-Druckniveaus (1051, 1052) sowie ein mikrofluidisches Analysesystem.

Description

Beschreibung
Titel
Druckversorgungseinheit und Verfahren zur Bereitstellung eines ersten Ziel- Druckniveaus und eines zweiten Ziel-Druckniveaus für ein mikrofluidisches Analysesystem, mikrofluidisches Analysesystem
Stand der Technik
DE 102018 114 150 A1 offenbart ein Gerät und ein Verfahren zum Trennen einer fluidischen Probe, wobei das Probentrenngerät für alle Trennstufen gemeinsam nur eine Pumpe zum Bewegen der jeweiligen mobilen Phase aufweist. Angesichts dieser Implementierung nur einer einzigen Hochdruckpumpe als Fluidantrieb werden die erstdimensionale Analyse und die zweitdimensionale Analyse nicht parallel, sondern nacheinander durchgeführt.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Druckversorgungseinheit zur Bereitstellung eines ersten Ziel- Druckniveaus und eines zweiten Ziel-Druckniveaus, ein Verfahren zur Bereitstellung eines ersten Ziel-Druckniveaus und eines zweiten Ziel-Druckniveaus, ein mikrofluidisches Analysesystem, weiterhin ein Steuergerät, das das vorgenannte Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass eine kompakte Druckversorgungseinheit mit vereinfachtem Aufbau und vereinfachter Ansteuerung zur Bereitstellung zweier verschiedener Ziel-Druckniveaus, d. h. bestimmter bzw. festgelegter Druckniveaus, bereitgestellt wird, welche zudem kostengünstig hergestellt werden kann. Dies wird erreicht mit einer Druckversorgungseinheit gemäß Anspruch 1 zur Bereitstellung eines ersten Ziel-Druckniveaus und eines zweiten Ziel-Druckniveaus, wobei das erste Ziel-Druckniveau und das zweite Ziel-Druckniveau voneinander abweichen. Die Druckversorgungseinheit umfasst eine Pumpe zum Ansaugen eines Fluids, insbesondere eines Gases, wie beispielsweise Luft ein erstes Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung, welches
■ auf einer ersten Seite der Pumpe angeordnet ist, und
■ zum Ermöglichen eines Fluidflusses
• von der ersten Seite der Druckversorgungseinheit zur Pumpe, sofern ein erstes aktuelles Druckniveau auf der ersten Seite größer als das erste Ziel-Druckniveau ist, und
• aus einer Umgebung der Druckversorgungseinheit zur Pumpe, sofern das erste aktuelle Druckniveau auf der ersten Seite kleiner als das erste Ziel-Druckniveau oder gleich dem ersten Ziel- Druckniveau ist, und somit zur Bereitstellung des ersten Ziel-Druckniveaus auf der ersten Seite der Druckversorgungseinheit eingerichtet ist, sowie ein zweites Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung, welches
■ auf einer zweiten Seite der Pumpe angeordnet ist, und
■ zum Ermöglichen eines Fluidflusses
• von der Pumpet zur zweiten Seite der Druckversorgungseinheit, sofern ein zweites aktuelles Druckniveau auf der zweiten Seite kleiner als das zweite Ziel-Druckniveau ist, und
• von der Pumpe in die Umgebung der Druckversorgungseinheit, sofern ein zweites aktuelles Druckniveau auf der zweiten Seite größer als das zweite Ziel-Druckniveau oder gleich dem zweiten Ziel-Druckniveau ist, und somit zur Bereitstellung des zweiten Ziel-Druckniveaus auf der zweiten Seite der Druckversorgungseinheit eingerichtet ist.
Druckversorgungseinheiten sind dazu eingerichtet, Druckniveaus zu erzeugen und andere Systeme, welche an die Druckversorgungseinheit angeschlossen oder anschließbar sind, mit Fluid, insbesondere mit Druckluft, zu versorgen. Die Druckversorgungseinheit gemäß Anspruch 1 ist dazu eingerichtet andere Systeme mit einem Fluid, welches einen bestimmten Druck aufweist (beispielsweise Druckluft), d. h. beispielsweise mit einem Hochdruckniveau, insbesondere bis 3000mbarA, und/oder einem Vakuumdruckniveau, insbesondere bis 200mbarA, zu versorgen. Die Druckversorgungseinheit kann beispielsweise über mindestens eine pneumatische Schnittstelle mit anderen Systemen verbunden sein oder verbunden werden.
Unter dem Begriff „Ziel-Druckniveau“ wird insbesondere ein Ziel-Druckwert, wie beispielsweise 400 mbarA (Millibar) oder 2600 mbarA, mit einem Toleranzbereich um diesen Ziel-Druckwert herum, wie beispielsweise +/- 100 mbar, verstanden, wobei gilt: 1 bar =105 Pa. Die Ziel-Druckniveaus sind die Druckniveaus, die von der Druckversorgungseinheit für einen Verbraucher/ ein System bereitgestellt werden können. Ein Beispiel: das erste Ziel-Druckniveau entspricht 400mbarA +/- 100mbar und das zweite Ziel-Druckniveau entspricht 2500mbarA+/- lOOmbar.
Unter dem Begriff „aktuelles Druckniveau“ wird ein aktueller Druckwert, wie beispielsweise 2300 mbarA, verstanden. Die aktuellen Druckniveaus werden so lange mittels der Pumpe und den Bauteilen zur Fluiddurchflusssteuerung angepasst, bis sie den jeweiligen Ziel-Druckniveaus entsprechen, d. h. insbesondere in dem Toleranzbereich um die Ziel-Druckwerte herum liegen.
Die Druckversorgungseinheit ist in einer Umgebung angeordnet, in welcher ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas, wie beispielsweise Luft, angeordnet sein kann. Die Umgebung zeichnet sich dadurch aus, dass sie mit einem Fluid gefüllt oder mit einem solchen befüllbar ist. Die Umgebung kann insbesondere die Gesamtheit dessen umfassen, was die Druckversorgungseinheit umgibt, sie kann als offenes Volumen oder begrenztes Volumen wie beispielsweise ein Raum, ein Gehäuse, ein Behälter, ein Fluidspeicher, etc. ausgebildet sein.
Die Pumpe zum Ansaugen des Fluids, insbesondere eines Gases und/oder einer Flüssigkeit, kann beispielsweise als eine einzige Pumpe ausgebildet sein, beispielsweise als Doppelkopfpumpe. Insbesondere kann die Pumpe eine Membranpumpe, ein Gebläse oder einen Verdichter umfassen. Die Pumpe ist zur Förderung des Fluids eingerichtet. Die Pumpe verbindet Reservoirs, d. h. Behälter oder Bereiche zur Aufnahme des Fluids, miteinander und kann das Fluid zwischen den Reservoirs befördern, d. h. insbesondere aus einem Reservoir ansaugen und in ein weiteres Reservoir weiterleiten. Beispielsweise kann die Pumpe das Fluid aus einer Umgebung der Druckversorgungseinheit ansaugen und an ein System, wie beispielweise einen Druckbehälter, ein mikrofluidisches Analysesystem zur Durchführung einer Probenanalyse, insbesondere die Testmoduleinheiten des Analysesystems, etc. weiterleiten, in dem das Fluid benötigt wird.
Das Weiterleiten erfolgt insbesondere durch die Bauteile zur Fluiddurchflusssteuerung, insbesondere Ventile, wie beispielsweise Rückschlagventile oder Schaltventile, wie beispielsweise 3/2-Wege-Ventile. Unter Fluiddurchflusssteuerung wird insbesondere sowohl ein Sperren/Blockieren eines Fluiddurchflusses, ein Mischen von Fluidströmen als auch ein Umleiten bzw. Umlenken des Fluidflusses verstanden.
Die Pumpe ist zwischen zwei Seiten der Druckversorgungseinheit, der ersten Seite und der zweiten Seite, angeordnet. Die Seiten bezeichnen insbesondere Bereiche, in denen voneinander abweichende Druckniveaus eingestellt werden können. Beispielsweise können auf den verschiedenen Seiten Behälter, wie beispielsweise Hydrospeicher oder Druckbehälter angeordnet sein, in denen jeweils ein Druck entsprechend dem jeweiligen Ziel-Druckniveau erzeugt werden kann. Des Weiteren sind auf den Seiten jeweils Bauteile zur Fluiddurchflusssteuerung sowie Leitungen, welche die verschiedenen Einheiten und Bauteile miteinander verbinden, und durch welche das Fluid sich zwischen den verschiedenen Einheiten und Bauteilen bewegen kann, angeordnet. Jede Seite kann beispielsweise mittels einer Schnittstelle oder einem Anschluss zur Fluidweiterleitung an ein System oder Teilsystem, insbesondere ein Testmodul einer mikrofluidischen Analyseeinheit, angeschlossen werden und für dieses durch Weiterleiten des Fluids der jeweiligen Seite ein Druckniveau bereitstellen, d. h. beispielsweise dem System Druckluft mit einem durch die Druckversorgungseinheit eingestellten Ziel-Druckniveau zuführen.
Ein Vorteil ist, dass eine kompakte Druckversorgungseinheit realisiert werden kann, indem der Versorgungskreis so ausgelegt wird, dass beide Ziel-Druckniveaus mit einer einzigen Pumpe erzeugt und einem an die Druckversorgungseinheit angeschlossenes System zur Verfügung gestellt werden können. Des Weiteren kann somit vorteilhafterweise eine Pumpe im Gesamtsystem der Druckerzeugung eingespart werden, wodurch sich neben Bauraum, vor allem Kosten und die Komplexität de Ansteuerung hinsichtlich Parallelansteuerungsmethoden, reduzieren lassen. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die Anzahl der tendenziellen Geräuschquellen (Pumpen) sich verringern, sodass das System leiser und damit auch anwenderfreundlicher ist.
In einer Ausführungsform kann das erste Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung mit einem ersten Speichervolumen, insbesondere einem ersten Fluidspeicher, insbesondere Gasspeicher, verbunden sein und/oder das zweite Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung mit einem zweiten Speichervolumen, insbesondere einem zweiten Fluidspeicher, insbesondere Gasspeicher,, verbunden sein. Ein Vorteil ist, dass somit Druck im Behälter/Volumina auf der jeweiligen Seite der Druckversorgungseinheit gespeichert und dem System zur Verfügung gestellt werden kann.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass sich dadurch die Elastizität des Systems erhöhen lässt und Druckspitzen, die durch mögliche Umschaltungen der Bauteile zur Durchflusssteuerung (insbesondere der Ventile), durch das Anlaufen der Pumpe oder durch konstruktionsbedingte Pulsationen dieser entstehen können, abzufedern. Hierbei wird empfohlen, sofern nur eine reine Federwirkung über die Volumina erwünscht ist, ein Volumen von 5-10 Prozent des Volumenstroms im Auslegungs-Arbeitspunkt zu wählen. Soll auch die Speicherfunktion mit der Druckversorgungseinheit adressiert werden, was insbesondere bei einem Abschaltbetrieb bedeutend ist, ist das Volumen in Abhängigkeit der im System verbauten Komponenten entsprechend auszulegen und sollte so ausgelegt sein, dass die Systemkomponenten für ihr Funktion über 30 bis 120 Sekunden aus den Speichern versorgt werden können, wenn die Pumpe nicht betrieben wird.
In einer Ausführungsform sind die erste Seite als Niederdruckbereich und die zweite Seite als Hochdruckbereich ausgebildet, wobei im Niederdruckbereich ein Niederdruckniveau als erstes Ziel-Druckniveau bereitstellbar ist, und wobei im Hochdruckbereich ein Hochdruckniveau als zweites Ziel-Druckniveau bereitstellbar ist. Ein an diese Druckversorgungseinheit angeschlossenes System kann somit vorteilhafterweise mit einem Niederdruckniveau und einem Hochdruckniveau versorgt werden, wobei hierfür anstelle von zwei nur eine Pumpe verwendet wird. In einer Ausführungsform weisen das erste Ziel-Druckniveau und das zweite Ziel- Druckniveau jeweils einen Ziel-Druckwert von 400mbarA, 2500mbarA oder einen Ziel- Druckwert im Bereich von400mbarA und 2500mbarA Systemdruck , sowie einen Toleranzbereich um den jeweiligen Ziel-Druckwert herum, insbesondere +/- 100 mbar, auf, wobei das erste Ziel-Druckniveau und das zweite Ziel-Druckniveau voneinander abweichen, d. h. insbesondere, dass die jeweiligen Ziel-Druckwerte der Ziel- Druckniveaus voneinander abweichen.
In einer Ausführungsform sind an der ersten Seite und/oder der zweiten Seite mindestens eine Drucksensoreinheit zur Druckregelung und/oder zur Steuerung einer Sicherheitsabschaltung angeordnet. Insbesondere lassen sich damit die aktuellen Druckniveaus messen. Des Weiteren ist somit eine Überwachung, aber auch Aussetzbetrieb der Pumpe möglich, um die Laufzeit dieser zu reduzieren und damit insbesondere auch die Geräuschbildung zu minimieren. Mittels der Drucksensoreinheit lassen sich Sicherheitsabschaltungen, aber auch einfache Druckregelungen und ein Abschaltbetrieb der Druckversorgungseinheit realisieren. Die Drucksensoreinheit kann beispielsweise einen MEMS-Drucksensor umfassen.
In einer Ausführungsform sind das erste Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung und das zweite Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung derart dimensioniert, dass ein Druckverlust über diese Bauteile kleiner oder gleich 5% des Systemdrucks (der Systemdruck entspricht hier dem Umgebungsdruck, d. h. dem Druck der Umgebung) beträgt da die Hysteresen sonst zu stark vom System abhängig sind. Im Allgemeinen sollte der Druckverlust sehr klein sein. Bei der Pneumatik sind die Druckverluste eher sehr klein im Vergleich zur Hydraulik.. Ziel ist den Druckverlust über die Ventile klein im Vergleich zum Arbeitsdruck zu halten, um die Effizienz der Pumpe nicht zu stark zu begrenzen. Hierbei sollte dieser 5 Prozent des Systemdrucks nicht überschreiten und möglichst minimal gewählt werden. Ein Vorteil ist, dass somit die Effizienz und Zuverlässigkeit der Druckversorgungseinheit erhöht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung ein Schaltventil, insbesondere ein 3/2 Wege-Ventil. Ein Vorteil ist, dass hierbei die Ziel-Druckniveaus auf den Seiten mit Schaltventil variabel einstellbar sind und die Druckversorgungseinheit somit flexibel einsetzbar ist und an den Bedarf des angeschlossenen bzw. anschließbaren Systems/Verbrauchers anpassbar ist.
In einer Ausführungsform umfassen das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil zur Fluiddurchflusssteuerung ein Rückschlagventil. Die Einstellung des Ziel-Druckniveaus im jeweiligen Kreis (d. h. auf der jeweiligen Seite) erfolgt hier über den Öffnungsdruck der Feder des betreffenden Rückschlagventils. Anstelle von Schaltventilen werden hier beispielsweise für beide Bauteile passive Rückschlagventile verwendet, deren Federn so dimensioniert sind, dass sie: auf der ersten Seite (hier: Niederdruck- bzw. Vakuum-Seite) öffnen, wenn der Vakuumdruck (erstes aktuelles Druckniveau) unterhalb eines kritischen Druckwertes, beispielsweise 400 mbarA, fällt (Öffnen bedeutet hierbei, dass das Fluid auf der ersten Seite aus der Umgebung in die Druckversorgungseinheit einströmen kann); auf der zweiten Seite (hier: Hochdruck-Seite) öffnen, wenn der Hochdruck (zweites aktuelles Druckniveau) oberhalb eines kritischen Druckwertes, beispielsweise 2500 mbarA, liegt (Öffnen bedeutet hierbei, dass das Fluid auf der zweiten Seite in die Umgebung entweichen kann).
Ein Vorteil ist, dass somit eine konstruktiv sehr einfache Druckversorgungseinheit realisiert werden kann, die weitere Kosten- und Komplexitätsreduktionen ermöglicht. Insbesondere kann eine solche Ausführungsform gewählt werden, wenn das erste und zweite Ziel-Druckniveau fest definiert sind und nicht variabel einstellbar sein sollen, einem festen Arbeitspunkt entsprechen. Durch Rückschlagventile lässt sich der Druckbereich vorteilhafterweise hardwaretechnisch fest einstellen und sehr gut definieren, was eine robuste Lösung darstellt.
Vorteile eines Verfahrens zur Bereitstellung eines ersten Ziel-Druckniveaus und eines zweiten Ziel-Druckniveaus, insbesondere unter Verwendung einer der oben genannten Druckversorgungseinheiten, wobei das erste Ziel-Druckniveau und das zweite Ziel- Druckniveau voneinander abweichen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen des ersten Ziel-Druckniveaus auf der ersten Seite der
Druckversorgungseinheit durch Ermöglichen eines Fluidflusses ■ von der ersten Seite der Druckversorgungseinheit zur Pumpe, sofern ein erstes aktuelles Druckniveau auf der ersten Seite größer als das erste Ziel-Druckniveau ist, und
■ aus einer Umgebung der Druckversorgungseinheit zur Pumpe, sofern das erste aktuelle Druckniveau auf der ersten Seite kleiner als das erste Ziel-Druckniveau oder gleich dem ersten Ziel- Druckniveau ist,
Bereitstellen des zweiten Ziel-Druckniveaus auf der zweiten Seite der Druckversorgungseinheit durch Weiterleiten des Fluids
■ von der Pumpe zur zweiten Seite der Druckversorgungseinheit, sofern ein zweites aktuelles Druckniveau auf der zweiten Seite kleiner als das zweite Ziel-Druckniveau ist, und
■ von der Pumpe in die Umgebung der Druckversorgungseinheit, sofern ein zweites aktuelles Druckniveau auf der zweiten Seite größer als das zweite Ziel-Druckniveau oder gleich dem zweiten Ziel-Druckniveau ist, ergeben sich unmittelbar aus den zu der Druckversorgungseinheit genannten Vorteilen. Insbesondere ist hierbei vorteilhaft, dass mittels einer Pumpe, insbesondere einer einzigen Pumpe, zwei verschiedene Ziel-Druckniveaus für ein System/ einen Verbraucher bereitgestellt werden können, indem der Fluidstrom in Abhängigkeit der aktuellen Druckniveaus gesteuert wird, d. h. in anderen Worten, dass das Fluid in Abhängigkeit der aktuellen Druckniveaus entweder zwischen den beiden Seiten der Druckversorgungseinheit oder zwischen der Umgebung und jeweils einer Seite fließt/strömt und somit die Ziel-Druckniveaus auf den beiden Seiten eingestellt werden können, ohne, dass hierzu eine weitere Pumpe zu verwenden. Das Umlenken/Umleiten des Fluidstroms in Abhängigkeit des jeweiligen aktuellen Druckniveaus erfolgt insbesondere mittels der Bauteile zur Fluiddurchflusssteuerung, die durch Fluidleitungen (auch Fluidkanäle genannt), in denen das Fluid fließen/strömen kann, mit der Pumpe, der Umgebung und Schnittstellen zum Anschließen eines Verbrauchers (beispielsweise ein System oder Teilsystem, ein mikrofluidisches Analysesystem bzw. eine Testmoduleinheit eines mikrofluidischen Analysesystems, etc.) verbunden sind. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass in dem Zustand, wo die Drücke vor und hinter der Pumpe im Ziel-Druckbereich liegen, die Pumpe nicht betrieben werden muss und beispielsweise nur bedarfsgesteuert arbeiten kann. Bedarfsgesteuert bedeutet hierbei, wenn mindestens eines der Zieldrücke nicht im Limit liegt.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
In einer Ausführungsform erfolgt bei Erreichen des ersten Ziel-Druckniveaus an der ersten Seite und Erreichen des zweiten Ziel-Druckniveaus an der zweiten Seite ein Abschalten der Pumpe der Druckversorgungseinheit (=Abschaltbetrieb der Druckversorgungseinheit) oder ein Weiterbetreiben der Pumpe (=Dauerbetrieb der Druckversorgungseinheit), wobei beim Weiterbetreiben das Fluid aus der Umgebung angesaugt und mittels der Pumpe an die Umgebung weitergeleitet wird. Der Dauerbetrieb macht insbesondere dann Sinn, wenn der Anteil dieser Betriebsphase zeitlich sehr kurz im Vergleich zu den anderen drei Betriebsmodi (= Erzeugen Hochdruck, Erzeugen Niederdruck, Erzeugen Hoch- und Niederdruck) ist, beispielsweise wenn der Zeitanteil weniger als 10 Prozent beträgt (t< 10 Prozent). Andernfalls kann es effizienter sein, die Pumpe im Abschaltbetrieb zu betreiben.
Das mikrofluidische Analysesystem kann eine Druckversorgungseinheit gemäß einer der zuvor genannten Ausführungsformen umfassen oder mit einer solchen verbindbar sein, insbesondere durch Verbinden der Fluidkanäle der Druckversorgungseinheit über Schnittstellen, insbesondere pneumatische Schnittstellen, mit Fluidkanälen der Testmoduleinheit. Durch das Verbinden wird die Testmoduleinheit mit dem ersten Ziel- Druckniveau und dem zweiten Ziel-Druckniveau versorgt, welche durch die Druckversorgungseinheit an den Anschlüssen/ (pneumatischen) Schnittstellen der Druckversorgungseinheit bereitgestellt werden können.
Vorteile eines mikrofluidischen Analysesystems zur Durchführung einer Probenanalyse, umfassend eine Testmoduleinheit zur Probenaufnahme für eine molekulardiagnostische Analyse, umfassend
• eine Druckversorgungseinheit gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Bereitstellung des ersten Ziel-Druckniveaus und des zweiten Ziel-Druckniveaus, • Peripherie-Komponenten zur Durchführung einer molekulardiagnostischen Analyse und
• mikrofluidische Elemente für einen Probentransport in der Testmoduleinheit,
- wobei die mikrofluidischen Elemente der Testmoduleinheit mittels des ersten Ziel-Druckniveaus und/oder des zweiten Ziel- Druckniveaus ansteuerbar sind, und
- wobei die Druckversorgungseinheit über eine Schnittstelle mit der Testmoduleinheit verbunden oder verbindbar ist. ergeben sich aus den Vorteilen der oben beschriebenen Druckversorgungseinheit.
Ein mikrofluidisches Analysesystem ist ein pneumatisches Kleingerät, insbesondere ein Medizingerät.
Ein Beispiel eines mikrofluidischen Analysesystems ist die VivalyticO-Plattform (Robert Bosch GmbH), welche eine universelle Diagnostikplattform, mit der verschiedene Single- oder Multiplex-Tests in einer Kartusche durchgeführt werden können, darstellt.
In mikrofluidischen Analysesystemen zur Durchführung einer Probenanalyse wird das Probenmaterial, wie beispielsweise ein Abstrich, Blut, Urin, etc., zunächst mit Ultraschall behandelt. Auf diese Weise wird die Zellmembran geöffnet und die DNA- und RNA-Moleküle freigesetzt. Sie werden im nächsten Schritt gefiltert, vervielfältigt und detektiert. Es können selbst kleinste DNA- und RNA-Mengen im Probenmaterial nachgewiesen werden.
Das mikrofluidische Analysesystem umfasst mindestens eine Testmoduleinheit, welche alle erforderlichen Peripherie-Komponenten umfasst, um eine molekulardiagnostische Analyse durchzuführen. Solche Peripherie-Komponenten können beispielsweise unter anderem folgende Komponenten umfassen: Heizelemente, eine Kartuschen- Einschubmechanik, ein Pneumatik-Manifold zur Verteilung und Ansteuerung von Ventilen, eine Klemmvorrichtung für die Kartusche und Druckbehälter (d. h. Pneumatikspeicher), um eine Mindestmenge an Druckluft als Reservoir vorhalten zu können und/oder eine Optikeinheit, um die fluidischen Reaktionsresultate innerhalb der Kartusche nachweisen zu können. Die Optikeinheit kann zur Probenanalyse wie beispielsweise für Fluoreszenzmessungen an der Probe verwendet werden, wobei sie insbesondere eine optische Sensoreinheit und eine Beleuchtungsquelle umfassen kann.
Das Testmodul wird mit Druck (d. h. dem ersten Ziel-Druckniveau und dem zweiten Ziel-Druckniveau) versorgt und umfasst üblicherweise keine interne Möglichkeit zur Druckerzeugung, sondern nur Anschlüsse/ Schnittstellen, über die das unter Druck stehende Fluid, beispielsweise Druckluft, von der Druckversorgungseinheit zugeführt werden kann. Alternativ kann man die Druckversorgungseinheit in das Testmodul integrieren, d. h. insbesondere, dass diese dann fest miteinander verbunden sind.
Unter dem Begriff „Probentransport“, kann insbesondere eine Bewegung der Probe, insbesondere einer Probenflüssigkeit, in der Testmoduleinheit verstanden werden. In anderen Worten handelt es sich bei dem Probentransport insbesondere um einen Fluidtransport.
Die Probenaufnahme erfolgt durch die Testmoduleinheit durch Eingabe einer Kartusche in die Testmoduleinheit, wobei die Probe zunächst in die Kartusche eingegeben wird. In der Testmoduleinheit erfolgt ein teil- oder vollautomatisiertes Prozessieren der Probe innerhalb der Kartusche, beispielsweise für eine Analyse der Probe, insbesondere für eine Durchführung diagnostischer Tests. Bei der Probe handelt es sich insbesondere um eine Probenflüssigkeit.
Bei den mikrofluidischen Elementen kann es sich insbesondere um mikrofluidische Ventile und (Pump-)kammern handeln. Für die Ansteuerung der mikrofluidischen Elemente werden wenigstens zwei Druckniveaus, hier die Ziel-Druckniveaus, verwendet. Insbesondere erfolgen die Ansteuerung und Bereitstellung der Ziel-Druckniveaus durch die Druckversorgungseinheit, welche eine pneumatische Schnittstelle zu der Testmoduleinheit aufweist.
Die Testmoduleinheit kann beispielsweise ein Testmodul oder mehrere Testmodule umfassen, welche durch die Druckversorgungseinheit mit dem ersten und zweiten Ziel- Druckniveau versorgt werden. Hierzu kann die Testmoduleinheit an die erste und zweite Seite der Druckversorgungseinheit, insbesondere über einen Anschluss oder eine pneumatische Schnittstelle, mit einer Fluidleitung der ersten und der zweiten Seite verbunden werden oder verbindbar sein. Durch den Einsatz der oben beschriebenen Druckversorgungseinheit wird eine Druckversorgung für zwei verschiedene Ziel- Druckniveaus mit nur einer Pumpe, insbesondere einer einzigen Pumpe, ermöglicht.
In einer Ausführungsform ist eine parallele Ansteuerung mehrerer Testmoduleinheiten durch eine gemeinsame Druckversorgungseinheit gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich und somit kann beispielsweise eine Rack- Lösung für das mikrofluidische Analysesystem umgesetzt werden. Diese kann dann im Gesamten oder in mehreren diskreten Einheiten durch entsprechende Druckversorgungen gespeist werden.
Beispielsweise werden als erstes Ziel-Druckniveau Vakuum bis 200mbarA und als zweites Ziel-Druckniveau Drücke bis 3000mbarA gewählt. Insbesondere liegt der Arbeitsbereich bei Ziel-Druckniveaus von 400mbarA und 2600mbarA,
Ein Beispiel eines mikrofluidischen Analysesystems, welches im Gesamten durch die Ziel-Druckniveaus versorgt wird (d. h. beiden Testmoduleinheiten werden jeweils beide Ziel-Druckniveaus zur Verfügung gestellt), ist ein mikrofluidisches Analysesystem, welches Kartuschen diagnostiziert, indem über die zwei Ziel-Druckniveaus auf jeweils einer Kartusche Ventile angesteuert werden und sich damit Flüssigkeiten auf der Kartusche bewegen, lenken, steuern und/oder mischen lassen. Durch die Verwendung der oben beschriebenen Druckversorgungseinheit besteht hier vorteilhafterweise die Möglichkeit, mit nur einer Pumpe beide Arbeitsdrücke einzustellen und der Kartusche zur Verfügung zu stellen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen oder Einheiten durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen. Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Druckversorgungseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer Druckversorgungseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung eines ersten Ziel- Druckniveaus und eines zweiten Ziel-Druckniveaus,
Fig. 4 eine schematische Skizze eines mikrofluidischen Analysesystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 eine schematische Skizze eines mikrofluidischen Analysesystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 6 eine schematische Skizze eines mikrofluidischen Analysesystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung. In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau einer Druckversorgungseinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, insbesondere eine grundlegende Verschaltungsmöglichkeit einer Einkreis-Systemlösung, dargestellt. Die Druckversorgungseinheit 100 umfasst eine Pumpe 103, welche zwischen einer ersten Seite 1001 und einer zweiten Seite 1002 der Druckversorgungseinheit 100 angeordnet ist. Auf der ersten Seite 1001 ist ein erstes Bauteil
1071 zur Fluiddurchflusssteuerung und auf der zweiten Seite 1002 ist ein zweites Bauteil
1072 zur Fluiddurchflusssteuerung angeordnet, welche über Fluidkanäle mit der Pumpe 103, der Umgebung 108 (bzw. Schalldämpfern 104) sowie einer ersten pneumatischen Schnittstelle 1081, an der ein erstes Zieldruckniveau 1051 bereitstellbar ist und einer zweiten pneumatischen Schnittstelle 1082, an der ein zweites Ziel-Druckniveau 1052 bereitstellbar ist, bzw. Speicherbehältern 1021, 1022, welche zwischen jeweils zwischen den Schnittstellen 1081, 1082 und den Ventilen 1071, 1072 angeordnet sind, verbunden sind. Das erste Bauteil 1071 zur Fluiddurchflusssteuerung wird in Fig. 1 durch ein elektrisch betätigbares, in Grundstellung geschlossenes 3/2-Wegeventil mit eingebauter mechanischer Feder zur Rückstellung gebildet. Das zweite Bauteil 1072 zur Fluiddurchflusssteuerung wird in Fig. 1 durch ein elektrisch betätigbares, in Grundstellung offenes 3/2-Wege-Ventil mit eingebauter mechanischer Feder zur Rückstellung gebildet. Die beiden 3/2-Wege-Ventile sind dazu eingerichtet, die Pumpe 103 wechselweise über Schalldämpfer 104 mit der Umgebung 108 der Druckversorgungseinheit 100 und mit pneumatischen Schnittstellen (Anschlüsse 1081, 1082), an denen die Ziel-Druckniveaus 1051, 1052 bereitgestellt werden, zu verbinden, wobei über die pneumatischen Schnittstellen 1081, 1082 ein System, insbesondere ein mikrofluidisches Analysesystem, mit der Druckversorgungseinheit 100 verbunden oder verbindbar ist. Über den ersten Anschluss 1081 kann das System mit dem ersten Ziel- Druckniveau 1051 versorgt werden und über den zweiten Anschluss 1082 kann das System mit dem zweiten Ziel-Druckniveau 1052 versorgt werden.
Die Pumpe 103 kann beispielsweise als Membranpumpe, die in den meisten Standardausführungen sowohl für Vakuum- als auch für Hochdruck angewandt werden kann, als Gebläse oder als Verdichter ausgebildet sein. Die Pumpe 103 saugt über ein vorangeschaltetes Schaltventil 1071, hier als 3/2-Wege-Ausführung, ein Fluid, wie beispielsweise Raumluft, an. In der Darstellung wird im stromlos-offenem Betrieb Umgebungsdruck angesaugt, so dass die Pumpe 103 funktionell dem Standard- Einsatzbetrieb entspricht. Das angesaugte Fluid wird verdichtet und beim Nicht-Ansteuern des Ventils 1072, hier ebenfalls als 3/2-Wege-Ausführung, auf der Hochdruckseite (entspricht der zweiten Seite 1002) kann Druck im Speicherbehälter 1002 auf dieser aufgebaut und dem System, beispielsweise dem mikrofluidischen Analysesystem, zur Verfügung gestellt werden.
Werden beide Ventile 1071, 1072 bestromt, arbeitet die Pumpe 103 als Standard-Vakuum- Pumpe, indem sie Fluid aus dem System über den Niederdruckanschluss 1081 saugt, damit auf der ersten Seite 1001 Unterdrück erzeugt und an die Umgebung 108 (hier ist der Anschluss an die Umgebung 108 mit einem Schalldämpfer 104 versehen) ablässt. Ein Speichervolumen 1021, 1022 ist auf beiden Seiten der Pumpe 103 vorgesehen, um die Elastizität des Systems zu erhöhen und Druckspitzen, die durch mögliche Umschaltungen der Ventile 1071, 1072, durch das Anlaufen der Pumpe 103 oder durch konstruktionsbedingte Pulsationen dieser entstehen können, abzufedern. Hierbei wird empfohlen, sofern nur eine reine Federwirkung über die Speicherbehälter 1021, 1022 erwünscht ist, ein Volumen von 5-10 Prozent des Volumenstroms im Auslegungs- Arbeitspunkt zu wählen.
Sollte auch die Speicherfunktion mit der Druckversorgungseinheit 100 adressiert werden, was insbesondere bei einem Abschaltbetrieb bedeutend ist, sollte das Volumen in Abhängigkeit der im System, beispielsweise einem an die Druckversorgungseinheit angeschlossenes mikrofluidisches Analysesystem, verbauten Komponenten ausgelegt werden und sollte so ausgelegt sein, dass die Systemkomponenten für ihr Funktion über 30- 120 Sekunden aus den Speichern 1021 , 1022 versorgt werden können, wenn die Pumpe 103 nicht betrieben wird. Die Druckventile 1071 , 1072 sollten im Allgemeinen so dimensioniert sein, dass der Druckverlust über die Ventile 1071, 1072 klein im Vergleich zum Arbeitsdruck ist, um die Effizienz der Pumpe 103 nicht zu stark zu begrenzen. Hierbei sollte dieser 5 Prozent des Systemdrucks nicht überschreiten und möglichst minimal gewählt werden.
Zur Überwachung, aber auch zur Ermöglichung eines Aussetz- bzw. Abschaltbetriebes der Pumpe, um die Laufzeit dieser zu reduzieren und damit die Geräuschbildung zu minimieren, sollten Drucksensoren 1062 und 1061 vorgesehen sein, so dass sich Sicherheitsabschaltungen, aber auch einfache Druckregelungen realisieren lassen. In der Fig. 1 sind auf beiden Seiten 1001, 1002 jeweils zwischen Ventil 1071, 1072 und Speicherbehälter 1021, 1022 Drucksensoreinheiten 1061 , 1062 zur Überwachung des Drucks, insbesondere zur Messung des jeweiligen aktuellen Druckwerts, angeordnet. Der beschriebene Arbeitsmodus der (Standard) Druck- bzw. Vakuumerzeugung ist mit der dargestellten Konstellation möglich und entspricht im Wesentlichem einer Zweikreisausführung (d. h. für die Bereitstellung jedes Ziel-Druckniveaus wird jeweils eine Pumpe 103, insbesondere jeweils eine Pumpe, verwendet, was im vorliegenden Fall zwei Pumpen entspräche, daher Zweikreisausführung), die sich hier im Wesentlichen eine Pumpe 103, in Form einer X-Shape-Ausführung, teilen. In dieser Variante und Betriebsform kann der Leistungsbereich der Pumpe 103 so gewählt werden, dass die pneumatische Leistung dem Maximum aus beiden Teilkreisen (d. h. der ersten Seite 1011 und der zweiten Seite 1002) entspricht und die Ziel-Druckniveaus 1051, 1052, beispielsweise Betrieb zwischen 200mbarA und 3000mbarA Systemdruck, erfüllt werden können.
Bei der vorgeschlagenen Verschaltung lässt sich die Pumpe 103 auch kombiniert betreiben: Wird eine Pumpe mit ausreichendem Leistungsbereich gewählt, kann die Pumpe bei entsprechender Ventilstellung (Niederdruck-Ventil 1071 bestromt; Hochdruck-Ventil 1072 unbestromt) gleichzeitig Niederdruck als erstes Ziel-Druckniveau 1051 als auch Hochdruck als zweites Ziel-Druckniveau 1052 erzeugen und dem System, beispielsweise dem mikrofluidischen Analysesystem, bereitstellen. Sind beide aktuellen Druckbereiche hierbei nicht im Toleranzbereich um den Ziel-Druckwert, d. h. entsprechen sie nicht dem jeweiligen Ziel-Druckniveau 1051 , 1052, laut Regelung, beispielsweise Ziel-Druck +/-100 mbar, saugt die Pumpe Fluid aus dem Niederdruckbereich, d. h. der ersten Seite 1001, an, wodurch dieser vakuumisiert wird, und speist die Gasmenge direkt in den Hochdruckbereich, d. h. der zweiten Seite 1002, ein. Ist das Ziel-Druckniveau in einem der Teilkreise, d. h. auf einer der Seiten 1001, 1002, erreicht, wird das entsprechende Ventil 1071 , 1072 auf dieser Seite 1001, 1002 auf Umgebung umgeschaltet, um das geförderte Fluid aus der Umgebung anzusaugen (Vakuumseite 1001) bzw. in die Umgebung abzulassen (Hochdruckseite 1002), um die Regelgrenzen nicht zu über- bzw. zu unterschreiten. Sind beide Ziel-Druckniveaus 1051, 1052 erreicht, kann die Pumpe, wenn Sie als Dauerlaufpumpe betrieben wird, sowohl im Ansaug- als auch Druckbereich über die Ventile 1071 , 1072 mit der Umgebung verbunden werden, d. h. im sogenannten Idle-Mode betrieben werden. Dies macht insbesondere dann Sinn, wenn der Anteil dieser Betriebsphase zeitlich sehr klein im Vergleich zu den anderen drei Betriebsmodi ist (t<10 Prozent). Alternativ kann die Pumpe dann im Abschaltbetrieb betrieben werden. Hierbei sollten beide Drucksignale der Drucksensoreinheiten 1061, 1062 in die Entscheidung des Betriebs einbezogen werden, da diese funktionell logisch ODER verknüpft sind. In der nachfolgenden Tabelle sind die Betriebsmodi mit den dazugehörigen Ventilansteuerungszuständen (O=unbestromt;
1=bestromt) dargestellt:
In Fig. 2 ist ein schematischer Aufbau einer Druckversorgungseinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, welche sich insbesondere dadurch von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel unterschiedet, dass hier statt Schaltventilen 1071 , 1072 Rückschlagventile 1011 , 1012 als Bauteile zur Steuerung des Fluiddurchflusses verwendet werden. Es handelt sich hierbei um eine gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel konstruktiv vereinfachte Ausführungsvariante, die weitere Kosten- und Komplexitätsreduktionen ermöglicht und insbesondere dann verwendet werden kann, wenn das Arbeitsdruckniveau, d. h. das erste Ziel-Druckniveau 1051 und das zweite Zieldruckniveau 1052, fest definiert ist und nicht variabel einstellbar sein soll.
Die Druckversorgungseinheit 100 umfasst eine Pumpe 103, welche zwischen der ersten Seite 1001 und der zweiten Seite 1002 der Druckversorgungseinheit 100 angeordnet ist. Auf der ersten Seite 1001 ist ein erstes Bauteil 1071 zur Fluiddurchflusssteuerung und auf der zweiten Seite 1002 ist ein zweites Bauteil 1072 zur Fluiddurchflusssteuerung angeordnet, welche über Fluidkanäle mit der Pumpe 103, der Umgebung 108 (bzw. Schalldämpfern 104) sowie einer ersten pneumatischen Schnittstelle 1081, an der ein erstes Zieldruckniveau 1051 bereitstellbar ist und einer zweiten pneumatischen Schnittstelle 1082, an der ein zweites Ziel- Druckniveau 1052 bereitstellbar ist, bzw. Speicherbehältern 1021, 1022, welche zwischen jeweils zwischen den Schnittstellen 1081 , 1082 und den Ventilen 1071 , 1072 angeordnet sind, verbunden sind.
Die Einstellung des Ziel-Druckniveaus 1051, 1052 im jeweiligen Kreis, d. h. auf der jeweiligen Seite 1001 , 1002, erfolgt in Fig. 2 über den Öffnungsdruck der Feder des betreffenden Rückschlagventils 1011, 1012. Es werden hier passive Rückschlagventile 1011, 1012 verwendet, deren Federn so dimensioniert sind, dass sie:
• auf der Vakuum-Seite (hier: erste Seite 1001) öffnen, wenn das aktuelle Druckniveau auf der ersten Seite 1001 unterhalb eines kritischen Wertes (d. h. unterhalb des ersten Ziel- Druckniveaus 1051 , insbesondere Ziel-Druckwert minus Toleranzbereich), beispielsweise 300 mbar, fällt und
• auf der Hochdruck-Seite (hier: zweite Seite 1002) öffnen, wenn das aktuelle Druckniveau oberhalb eines kritischen Wertes (d. h. oberhalb des zweiten Ziel-Druckniveaus, insbesondere Ziel-Druckwert plus Toleranzbereich), beispielsweise 2500 mbarA, liegt.
Diese Ausführungsvariante einer Druckversorgung kann, wenn Drucksensoren 1061 , 1062 verwendet werden, die eine Regelung zulassen, ebenfalls im Abschaltbetrieb eingesetzt werden. Ansonsten ist so eine Ausführung bevorzugt für den Dauerlauf der Pumpe 103 geeignet. Bei entsprechender Kenntnis des Öffnungsdrucks der Rückschlagventile 1011, 1012, kann auf die Drucküberwachung (d. h. die Drucksensoreinheiten 1061, 1062 in Fig. 2, welche jeweils zwischen Pumpe 103 und den Speicherbehältern 1021, 1022 angeordnet sind) verzichtet werden, wodurch eine weitere Kostenreduktion möglich ist. Die Pumpe 103 sollte dann im Dauerlauf betrieben werden, um die Ziel-Druckniveaus 1051, 1052 aufrecht erhalten zu können.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist es auch möglich als erstes Bauteil ein 3/2- Wegeventil 1071 zu verwenden, wobei das erste Ziel-Druckniveau 1051 , wie der Beschreibung zu Fig.1 zu entnehmen ist, erzeugt wird und als zweites Bauteil ein Rückschlagventil 1012 zu verwenden, wobei das zweite Ziel-Druckniveau 1052, wie der Beschreibung zu Fig.2 zu entnehmen ist, erzeugt wird. Alternativ kann auch als erstes Bauteil ein Rückschlagventil 1011 verwendet werden, wobei das erste Ziel-Druckniveau 1051, wie der Beschreibung zu Fig.2 zu entnehmen ist, erzeugt wird und als zweites Bauteil ein 3/2-Wege-Ventil 1072 verwendet werden, wobei das zweite Ziel-Druckniveau 1052, wie der Beschreibung zu Fig. 1 zu entnehmen ist, erzeugt wird. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn eines der Ziel-Druckniveaus einstellbar sein soll und das andere fest vorgegeben ist.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Bereitstellung des ersten Zieldrucks 1051 und des zweiten Ziel-Druckniveaus 1052, insbesondere unter Verwendung einer Druckversorgungseinheit 100 gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, wobei das erste Ziel-Druckniveau 1051 und das zweite Ziel- Druckniveau 1052 voneinander abweichen.
Das Bereitstellen des ersten Ziel-Druckniveaus 1051 auf der ersten Seite 1001, insbesondere am ersten Anschluss 1081 der Druckversorgungseinheit 100, erfolgt wie folgt: In Abhängigkeit des ersten aktuellen Druckniveaus 1053 wird ein Fluidfluss wie folgt gesteuert:
• Absenken 2010 des ersten aktuellen Druckniveaus 1053 bis zum Erreichen des ersten Ziel-Druckniveaus 1051 : Ist das erste aktuelle Druckniveau 1053 größer 2012 als das erste Ziel-Druckniveau 1051 , so steuert das erste Bauteil 1071 , 1011 den Fluidfluss derart, dass das Fluid, angesaugt von der Pumpe 103, vom ersten Anschluss 1081 zur Pumpe 103 fließt. Dadurch wird das aktuelle Druckniveau 1053 am ersten Anschluss 1081 abgesenkt, bis es das erste Ziel-Druckniveau 1051 erreicht.
• Bei Erreichen 2011 bzw. Unterschreiten des ersten Ziel-Druckniveaus 1051: Ist das erste aktuelle Druckniveau 1053 kleiner oder gleich 2013 dem ersten Ziel- Druckniveau 1051 , so steuert das erste Bauteil 1071 , 1011 den Fluidfluss derart, dass der Fluidfluss vom ersten Anschluss 1081 zur Pumpe 103 unterbrochen wird und insbesondere stattdessen die Pumpe 103 mit der Umgebung 108 verbunden wird, sodass sie Fluid aus der Umgebung 108 ansaugt.
Das Bereitstellen des zweiten Ziel-Druckniveaus 1052 auf der zweiten Seite 1002, insbesondere am zweiten Anschluss 1082 der Druckversorgungseinheit 100, erfolgt wie folgt:
In Abhängigkeit des zweiten aktuellen Druckniveaus 1052 wird ein Fluidfluss wie folgt gesteuert:
• Erhöhen 2020 des zweiten aktuellen Druckniveaus 1054 bis zum Erreichen des zweiten Ziel-Druckniveaus 1052: Ist das zweite aktuelle Druckniveau 1054 auf der zweiten Seite 1002 kleiner 2014 als das zweite Ziel-Druckniveau 1052, so steuert das zweite Bauteil 1072, 1012 zur Fluiddurchflusssteuerung den Fluidfluss derart, dass das Fluid von der Pumpe 103 zum zweiten Anschluss 1082 geleitet wird
• Bei Erreichen 2021 bzw. Unterschreiten des zweiten Ziel-Druckniveaus 1052: Ist das aktuelle Druckniveau 1054 größer oder gleich 2015 dem zweiten Ziel-Druckniveau 1052 so steuert das zweite Bauteil 1072, 1012 zur Fluiddurchflusssteuerung den Fluidfluss derart, dass der Fluidfluss von der Pumpe 103 zum zweiten Anschluss 1082 unterbrochen wird und insbesondere stattdessen die Pumpe 103 mit der Umgebung verbunden wird, sodass sie das Fluid an die Umgebung weiterleitet.
Optional kann bei Erreichen 2011 , 2021 der Ziel-Druckniveaus statt des zuvor beschriebenen Dauerbetriebs, bei dem die Pumpe 103 Fluid auf der ersten Seite 1001 aus der Umgebung 108 ansaugt und auf der zweiten Seite 1002 an die Umgebung abgibt, ein Abschaltbetrieb 203 der Druckversorgungseinheit einsetzen, bei dem die Pumpe 103 abschaltet. Insbesondere ist hierbei eine Überwachung der aktuellen Druckniveaus durch Drucksensoreinheiten 1061, 1062 von Vorteil, die bei Unterschreiten zumindest eines der Ziel-Druckniveaus 1051 , 1052 ein Steuersignal bereitstellen, welches dazu geeignet ist, den Abschaltbetrieb 203 durch Einschalten der Pumpe 103 zu beenden oder welches dazu geeignet ist, eine Ausgabe einer Warnmeldung an einen Benutzer oder an das an die Druckversorgungseinheit 100 angeschlossene System auszugeben.
Fig.4 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidisches Analysesystem 300 zur Durchführung einer Probenanalyse, umfassend eine Testmoduleinheit 301 zur Probenaufnahme für eine molekulardiagnostische Analyse, wobei die Testmoduleinheit 301 in diesem Ausführungsbeispiel ein Testmodul 3001 , umfassend
• eine Druckversorgungseinheit 100, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt ist, zur Bereitstellung des ersten Ziel-Druckniveaus 1051 und des zweiten Ziel-Druckniveaus 1052,
• Peripherie-Komponenten 305, 306, 307, 308 zur Durchführung einer molekulardiagnostischen Analyse und
• mikrofluidische Elemente 302, 303, 304 für einen Probentransport in der Testmoduleinheit 3000.
Die Peripherie-Komponenten umfassen in diesem Ausführungsbeispiel eine Optikeinheit
305, welche beispielsweise dazu eingerichtet ist Fluoreszenzmessungen an der Probe durchzuführen. Die Optikeinheit 305 kann sowohl eine Beleuchtung als auch eine optische Anregung sowie eine Detektion eines optischen Signals, welches von der Probe ausgeht, ermöglichen. Des Weiteren umfassen die Peripherie-Komponenten eine Energieversorgungseinheit 306, beispielsweise in Form eines Netzteils, welches insbesondere Wechselspannung bereitstellt und eine Temperiereinheit 307, welche dazu eingerichtet ist eine Temperatur in der Testmoduleinheit einzustellen, insbesondere durch Heizen und/ oder Kühlen.
Des Weiteren zählt auch eine Mechanikeinheit 308 zu den Peripherie-Komponenten, welche unter anderem eine Aufnahme einer Kartusche 309 ermöglicht (beispielsweise eine Klemmvorrichtung für die Kartusche 309), wobei die Probe in die Kartusche 309 eingebracht wird. Damit ist die Testmoduleinheit 301 zur Probenaufnahme eingerichtet. Des Weiteren ermöglicht die Mechanikeinheit 308 eine mechanische Bearbeitung der Probe, wie beispielsweise eine Rotation/ ein Zentrifugieren der Probe.
Das mikrofluidische Analysesystem 300 kann wie folgt betrieben werden: Es erfolgt ein Prozessieren der Probe, insbesondere einer flüssigen Probe, innerhalb des Testmoduls 3001 entweder teilautomatisiert oder vollautomatisiert durch Eingabe der Kartusche 309 in das mikrofluidische Analysesystem 300. Das teil- oder vollautomatisierte Prozessieren der Probe kann erfolgen insbesondere durch das Anlegen von unterschiedlichen Druckniveaus (des ersten und/ oder des zweiten Zieldruckniveaus 1051, 1052) an das Testmodul 3001 über eine geeignete Schnittstelle zwischen Druckversorgungseinheit 100 und Testmodul 3001.
Zunächst wird die Probe in die Kartusche 309 eingegeben. Insbesondere liegt die Probe - zumindest teilweise - in flüssiger Form vor, wobei die Probe insbesondere eine biologische oder medizinische Substanz umfassen kann, wie beispielsweise eine Körperflüssigkeit (z. B. Blut, Speichel, etc.).
Die Kartusche 309, in welcher sich die Probe befindet, wird in das Testmodul 3001 eingegeben oder eingelegt und über die erforderlichen Schnittstellen, welche zum Prozessieren der Probe in der Kartusche 309 erforderlich sind, mit diesem verbunden. Nun kann ein Prozessieren der Probe innerhalb des Testmoduls 3001 erfolgen. Das Pprozessieren kann in Abhängigkeit des gewählten Ablaufs folgende Schritte umfassen: ein Aufreinigen, Lysieren und thermisches Cyclen von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel PCR- Abläufen zum Nachweis spezifischer Virenstämmen, etc.. Nach dem Prozessieren kann die Kartusche 309 aus dem Testmodul entnommen werden und es kann ein Analyseergebnis der Probe von dem mikrofluidischen Analysesystem, beispielsweise über eine optische Anzeige ausgegeben werden und/ oder über eine Kommunikationsschnittstelle an ein weiteres Gerät, wie beispielsweise ein Drucker oder ein mobiles Endgerät, übertragen werden.
Die Druckversorgungseinheit 100 ist über die Schnittstelle 302 mit der Testmoduleinheit 301 verbunden oder verbindbar.
Die mikrofluidischen Elemente 302, 303, 304 der Testmoduleinheit 3000 sind mittels des ersten Ziel-Druckniveaus 1051 und/oder des zweiten Ziel-Druckniveaus 1052 ansteuerbar. Die mikrofluidischen Elemente umfassen in diesem Ausführungsbeispiel ein Pneumatik- Manifold 303 zur Verteilung und Ansteuerung von Ventilen, und Druckbehälter 304 (d. h. Pneumatikspeicher 1021, 1022), um eine Mindestmenge an Druckluft als Reservoir vorhalten zu können, sowie eine Schnittstelle 302 nach außen. Alternativ oder ergänzend kann die Druckversorgungseinheit 100 die Pneumatikspeicher 1021, 1022 umfassen.
In Fig. 5 ist eine schematische Skizze eines mikrofluidischen Analysesystems 300 dargestellt, welches ein kleines Parallelsystem 300‘ bildet, wobei die Testmoduleinheit 301 hierbei drei Testmodule 3001 , 3002, 3003 umfasst. Die Testmodule sind hierbei wie das Testmodul in Fig. 4 aufgebaut. Jedes der Testmodule 3001 , 3002, 3003 ist jeweils über seine pneumatische Schnittstelle 302 mit der Druckversorgungseinheit 100 verbunden bzw. verbindbar. Somit wird jedes der Testmodule parallel zu den anderen Testmodulen jeweils mit dem ersten Ziel-Druckniveau 1051 und dem zweiten Zieldruckniveau 1052 versorgt.
Fig. 6 zeigt eine schematische Skizze eines mikrofluidischen Analysesystems 300 dargestellt, welches ein großes Parallelsystem 300“ bildet, wobei die Testmoduleinheit 301 hierbei neun Testmodule 3001, 3002, 3003 umfasst. Die neun Testmodule sind in drei Testmoduleinheiten 301, umfassend je drei Testmodule 3001, 3002, 3003, aufgeteilt. Die Druckversorgungseinheit 100 versorgt parallel die drei kleinen Parallelsysteme 300‘, welche in diesem Ausführungsbeispiel analog zu dem in Fig. 5 gezeigten kleinen Parallelsysteme 300‘aufgebaut sind, jeweils mit dem ersten Ziel-Druckniveau 1051 und dem zweiten Ziel- Druckniveau 1052.

Claims

Ansprüche
1. Druckversorgungseinheit (100) zur Bereitstellung eines ersten Ziel- Druckniveaus (1051) und eines zweiten Ziel-Druckniveaus (1051) für ein mikrofluidisches Analysesystem, wobei das erste Ziel-Druckniveau (1051) und das zweite Ziel-Druckniveau (1052) voneinander abweichen, umfassend eine Pumpe (103) zum Ansaugen eines Fluids, ein erstes Bauteil (1011, 1071) zur Fluiddurchflusssteuerung, welches
■ auf einer ersten Seite (1001) der Pumpe (103) angeordnet ist, und
■ zum Ermöglichen eines Fluidflusses
• von der ersten Seite (1001) der Druckversorgungseinheit (100) zur Pumpe (103), sofern ein erstes aktuelles Druckniveau (1053) auf der ersten Seite (1001) größer als das erste Ziel-Druckniveau (1051) ist, und
• aus einer Umgebung (108) der Druckversorgungseinheit (100) zur Pumpe (103), sofern das erste aktuelle Druckniveau (1053) auf der ersten Seite (1001) kleiner als das erste Ziel-Druckniveau (1051) oder gleich dem ersten Ziel-Druckniveau (1051) ist, und somit zur Bereitstellung des ersten Ziel-Druckniveaus (1051) auf der ersten Seite (1001) der Druckversorgungseinheit (100) eingerichtet ist, sowie ein zweites Bauteil (1012, 1072) zur Fluiddurchflusssteuerung, welches
■ auf einer zweiten Seite (1002) der Pumpe (103) angeordnet ist, und
■ zum Ermöglichen eines Fluidflusses
• von der Pumpe (103) zur zweiten Seite (1002) der Druckversorgungseinheit (100), sofern ein zweites aktuelles Druckniveau (1054) auf der zweiten Seite (1002) kleiner als das zweite Ziel-Druckniveau (1052) ist, und
• von der Pumpe (103) zur Umgebung (108) der Druckversorgungseinheit (100), sofern ein zweites aktuelles Druckniveau (1054) auf der zweiten Seite (1002) größer als das zweite Ziel-Druckniveau (1052) oder gleich dem zweiten Ziel- Druckniveau (1052) ist, und somit zur Bereitstellung des zweiten Ziel-Druckniveaus (1052) auf der zweiten Seite (1002) der Druckversorgungseinheit (100) eingerichtet ist. Druckversorgungseinheit (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1011 , 1071) zur Fluiddurchflusssteuerung mit einem ersten Speichervolumen (1021), insbesondere einem ersten Fluidspeicher, verbunden ist und/oder das zweite Bauteil (1012, 1072) zur Fluiddurchflusssteuerung mit einem zweiten Speichervolumen (1022), insbesondere einem zweiten Fluidspeicher, verbunden ist. Druckversorgungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ziel-Druckniveau (1051) und das zweite Ziel-Druckniveau (1052) einen Wert von 200mbarA, 3000mbarA oder einen Wert im Bereich von 200mbarA bis 3000mbarA Systemdruck aufweisen. Druckversorgungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der ersten Seite (1001) und/oder der zweiten Seite (1002) eine Drucksensoreinheit (1061, 1062) zur Druckregelung und/oder zur Steuerung einer Sicherheitsabschaltung angeordnet sind. Druckversorgungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (1011, 1071) zur Fluiddurchflusssteuerung und das zweite Bauteil (1012) zur Fluiddurchflusssteuerung derart dimensioniert sind, dass ein Druckverlust über diese Bauteile (1011, 1012, 1072) kleiner oder gleich 5% des Systemdrucks beträgt. Druckversorgungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (1011, 1071) und/oder das zweite Bauteil (1012, 1072) zur Fluiddurchflusssteuerung ein Schaltventil, insbesondere ein 3/2 Wegeventil, umfassen.
7. Druckversorgungseinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (1011, 1071) und/oder das zweite Bauteil (1012, 1072) zur Fluiddurchflusssteuerung ein Rückschlagventil (1011, 1012) umfassen.
8. Verfahren (200) zur Bereitstellung eines ersten Ziel-Druckniveaus (1051) und eines zweiten Ziel-Druckniveaus (1052), insbesondere unter Verwendung einer Druckversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ziel-Druckniveau (1051) und das zweite Ziel-Druckniveau (1052) voneinander abweichen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen (201) des ersten Ziel-Druckniveaus (1051) auf der ersten Seite (1001) der Druckversorgungseinheit (100) durch Ermöglichen eines Fluidflusses
■ von der ersten Seite (1001) der Druckversorgungseinheit (100) zur Pumpe (103), sofern ein erstes aktuelles Druckniveau (1053) auf der ersten Seite (1001) größer als das erste Ziel-Druckniveau (1051) ist, und
■ aus einer Umgebung (108) der Druckversorgungseinheit (100) zur Pumpe (103), sofern das erste aktuelle Druckniveau (1053) auf der ersten Seite (1001) kleiner als das erste Ziel-Druckniveau (1051) oder gleich dem ersten Ziel-Druckniveau (1051) ist,
Bereitstellen (202) des zweiten Ziel-Druckniveaus (1052) auf der zweiten Seite (1002) der Druckversorgungseinheit (100) durch Weiterleiten des Fluids
■ von der Pumpe (103) zur zweiten Seite (1002) der Druckversorgungseinheit (100), sofern ein zweites aktuelles Druckniveau (1054) auf der zweiten Seite (1002) kleiner als das zweite Ziel-Druckniveau (1052) ist, und
■ von der Pumpe (103) zur Umgebung (108) der Druckversorgungseinheit (100), sofern ein zweites aktuelles Druckniveau (1054) auf der zweiten Seite (1002) größer als das zweite Ziel-Druckniveau (1052) oder gleich dem zweiten Ziel- Druckniveau (1052) ist. Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei Erreichen des ersten Ziel-Druckniveaus (1051) an der ersten Seite (1001) und Erreichen des zweiten Ziel-Druckniveaus (1052) an der zweiten Seite (1002) ein Abschalten der Pumpe (103) der Druckversorgungseinheit (100) oder ein Weiterbetreiben der Pumpe (103) erfolgt, wobei beim Weiterbetreiben das Fluid aus der Umgebung angesaugt und mittels der Pumpe (103) an die Umgebung weitergeleitet wird. Mikrofluidisches Analysesystem (300) zur Durchführung einer Probenanalyse, umfassend eine Testmoduleinheit (301) zur Probenaufnahme für eine molekulardiagnostische Analyse, wobei die Testmoduleinheit (301) ein Testmodul (3001) oder mehrere Testmodule (3001, 3002, 3003) umfasst, umfassend
• eine Druckversorgungseinheit (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bereitstellung des ersten Ziel-Druckniveaus (1051) und des zweiten Ziel-Druckniveaus (1052),
• Peripherie-Komponenten (305, 306, 307, 308) zur Durchführung einer molekulardiagnostischen Analyse und
• mikrofluidische Elemente (302, 303, 304), für einen Probentransport in der Testmoduleinheit (301),
- wobei die mikrofluidischen Elemente (302, 303, 304) der Testmoduleinheit (301) mittels des ersten Ziel-Druckniveaus (1051) und/oder des zweiten Ziel-Druckniveaus (1052) ansteuerbar sind, und
- wobei die Druckversorgungseinheit (100) über eine Schnittstelle (302) mit der Testmoduleinheit (301) verbunden oder verbindbar ist. Mikrofluidisches Analysesystem (300) nach Anspruch 10, wobei das mikrofluidische Analysesystem (300) zwei oder mehr Testmoduleinheiten (301, 300‘) umfasst, welche parallel durch die Druckversorgungseinheit (100) ansteuerbar sind. Steuergerät, das eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens (200) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
13. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (200) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 auszuführen und/oder anzusteuern. 14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach
Anspruch 13 gespeichert ist.
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