EP4676644A1 - Sequentielles pumpen mittels eines aktuators - Google Patents

Sequentielles pumpen mittels eines aktuators

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EP4676644A1
EP4676644A1 EP24710727.9A EP24710727A EP4676644A1 EP 4676644 A1 EP4676644 A1 EP 4676644A1 EP 24710727 A EP24710727 A EP 24710727A EP 4676644 A1 EP4676644 A1 EP 4676644A1
Authority
EP
European Patent Office
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chamber
channel
liquid
gas
sub
Prior art date
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Pending
Application number
EP24710727.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Laura Niebling
Jan-Niklas Klatt
Nils Paust
Tobias HUTZENLAUB
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Publication of EP4676644A1 publication Critical patent/EP4676644A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N2035/1027—General features of the devices
    • G01N2035/1034—Transferring microquantities of liquid

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a centrifugal microfluidic cartridge module and to a corresponding method for operating the centrifugal microfluidic cartridge module.
  • Preferred embodiments relate to sequential pumping by means of an actuator.
  • Microfluidics and its subtype of centrifugal microfluidics which is discussed here and in which the microfluidics are rotated to actuate the liquid, deals with the handling of liquids in the fl - ml range.
  • Such systems are often disposable polymer cartridges, as these have great potential for inexpensive mass production.
  • standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting can be implemented in a centrifugal microfluidic cartridge and entire laboratory processes can be automated.
  • the cartridges contain channels for the fluid flow and chambers for collecting liquids. Centrifugal microfluidics is used in laboratory analysis and diagnostics, among other areas.
  • microfluidics focuses on the processing of fluids, and these fluids can be in either a liquid or a gaseous state. In this respect, it goes without saying that microfluidic devices are also suitable for gases.
  • liquid reagents such as lysis, binding, washing and elution buffers are first pumped from a pre-storage chamber into a reaction chamber and, after reaction, pumped into one or different target chambers.
  • a separate actuator is usually required for each of these pumping processes, especially if the reaction chamber is ventilated.
  • Temperature or frequency changes are often used as actuation principles in centrifugal microfluidics, among other options, to achieve the necessary
  • I I240302PCT-2024063148 To generate pressure in compression chambers and thus enable liquid transport (for example, by enclosing a gas volume in a compression chamber using liquid at a comparatively high rotation frequency and compressing it using hydrostatic pressure. When switching to a comparatively lower rotation frequency, the gas expands and can be used as a pumping mechanism).
  • a disadvantage of current solutions is the space required by a large number of compression chambers in order to be able to implement sequential pumping steps. Therefore, there is a need for an improved approach.
  • a microfluidic structure is described (Fig. 2) that has a compression chamber that is first heated. The overpressure is used to switch liquid via a siphon from chamber B to the radially outer chamber A. The compression chamber is then cooled and the liquid is drawn back via the same siphon to the output chamber B using negative pressure.
  • the patent DE102016207845A1 & family describes a fluidic structure that makes it possible to prime a siphon by temporarily building up a pressure difference in a microfluidic cartridge and thus trigger a valve function (Fig. 5).
  • the object of the present invention is to create an improved concept for the actuators between at least three chambers.
  • Embodiments of the present invention provide: a centrifugal microfluidic cartridge module for operation in a centrifugal microfluidic device and/or a centrifuge.
  • the cartridge module comprises a first chamber, a second chamber and a third chamber.
  • the first chamber is designed to accommodate a fluid and/or a gas and to subject the fluid and/or the gas to a negative pressure and/or positive pressure in relation to an initial pressure by means of pressure generation.
  • the cartridge module also comprises a node which is connected to the first, second and third chambers via a fluidic network.
  • the fluidic network has a first partial channel (TK1) which connects the node to the first chamber, a second partial channel (TK2) which connects the node to a second chamber, and a third partial channel (TK3) which connects the node to the third chamber.
  • a second channel (K2) connects the second and third chambers to one another, opening into a radially outer region or at the radially outer end of the second chamber and having at least one section directed radially inward.
  • the third sub-channel (TK3) has a section that runs radially further inward than the second sub-channel (TK2).
  • DOCX Embodiments of the present invention are based on the finding that a fluid can be pumped back and forth between three chambers or from a first to a second and from a second to a third chamber if these three chambers are connected to one another by a fluidic network. are connected, namely by the fluidic network directly connecting all chambers to a central node, with the second chamber (reaction chamber) and the third chamber (target chamber) being connected to another connection, e.g. a direct connection.
  • the second sub-channel (TK2) has a higher fluidic resistance than the second channel (K2). This is based on the (same) fluid or gas. Possible implementations of this variant are the variation of the cross-section and/or the length.
  • the second channel (K2) and the second sub-channel (TK2) run radially further outwards than the third sub-channel (TK3).
  • the fluid when a negative pressure is applied, the fluid is transported from the second chamber towards the first chamber, but via the path that has the smaller fluidic resistance.
  • the second channel (K2) has the smaller fluidic resistance compared to the second sub-channel (TK2), so that the fluid is transported from the second to the third chamber. It is therefore advantageously possible to transport the fluid from the second to the third chamber using a negative pressure, while according to embodiments the fluid is transported from the first to the second chamber using an overpressure (see above).
  • a geometric arrangement of the vertices of the second channel (K2) and the second sub-channel (TK2) can be used instead of or in addition to the fluidic resistance.
  • the cartridge module has a vertex in the second channel (K2) which is located radially further out than a vertex of the second partial channel (TK2), so that when filling the second channel (K2) a smaller maximum hydrostatic counterforce is caused on the fluid and/or the gas than when filling the second partial channel (TK2).
  • K2 vertex in the second channel
  • TK2 vertex of the second partial channel
  • the means for generating pressure comprise, for example, means for controlling the temperature of the fluid and/or the gas.
  • These are in particular heating and/or cooling means which are designed to generate the overpressure by increasing the temperature and the negative pressure by reducing the temperature in the first chamber.
  • These heating and/or cooling means can either be applied locally to certain parts of the microfluidic structure (e.g. via one or more Peltier elements located near these parts of the microfluidic structure) or to the entire cartridge (e.g. via heating or cooling the space in which the cartridge is located during the fluid actuation).
  • a container can be inserted or placed in the first chamber, wherein the container in the first chamber is opened due to an acceleration and/or a combination of hydrostatic force resulting from an acceleration and a temperature increase. This means that the first chamber
  • DOCX is designed to open a container in the first chamber due to an acceleration and/or a combination of hydrostatic force resulting from an acceleration and a temperature increase.
  • the acceleration and/or temperature increase is controlled, for example, by a controller.
  • the cartridge module has a controller and is connected to a controller that is designed to effect a pumping process of a fluid from the first chamber to the second chamber by increasing the temperature in the first chamber and optionally additionally reducing a rotation frequency of the cartridge module.
  • the controller is designed to induce a pumping process of the fluid from the first chamber into the second chamber by increasing the temperature and optionally additionally reducing the rotation frequency of the cartridge module, wherein the pumping process is characterized in that the overpressure in the first chamber is sufficiently high to transport the liquid over the apex of the inverse siphon formed by TK1 and TK2.
  • the overpressure is smaller than the pressure that would be necessary to transport the liquid over the apex of the inverse siphon formed by TK1 and TK3.
  • the control is designed to bring about a reduction in the temperature of the fluid in the first chamber.
  • a negative pressure can be generated in the first chamber, which acts on the fluid in the second chamber via the first sub-channel (TK1) and the second sub-channel (TK2) or also via the first sub-channel (TK1), the third sub-channel (TK3) and the second channel (K2).
  • this negative pressure then causes the fluid to be transported from the second chamber to the third chamber, as already explained above.
  • the third chamber has a connection to the second channel, which is arranged radially further inward than the maximum possible filling level of the third chamber.
  • the node is formed by a further chamber.
  • the mouth of the third sub-channel (TK3) into the chamber can be designed in such a way that it is located at the upper edge of the chamber and thus lies above the maximum possible filling level.
  • the second sub-channel (TK2) is designed to transport the fluid from the first chamber to the second chamber, a part of the fluid. This can be achieved by arranging the channels in additional chambers so that they do not empty completely.
  • the cartridge module is designed to be arranged in a centrifuge and/or to be centrifuged by means of a centrifuge. This means that according to embodiments, a centrifuge with a corresponding cartridge module is created.
  • the first chamber, the second chamber and the third chamber are rotatable about a rotation axis or common rotation axis.
  • a direct connection can be provided between the first chamber and the third chamber.
  • Such a structure makes it possible, for example, to dilute the liquid with the starting liquid after being directed into the third chamber.
  • one or more additional third chambers are provided parallel to the third chamber, which are arranged between the third partial channel (TK3) and the second channel. This makes it possible to split the fluid into several chambers.
  • the liquid does not necessarily have to be present directly in the first chamber, but can also be provided as a kind of tubular bag or, in particular, a stick pack.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a microfluidic layout according to a basic embodiment of the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of the switching principle of the publication by Irishlg et al.
  • Fig. 4 an illustration of the layout and fluidic operation 1 and 2 in L. Malic et al.;
  • Fig. 6 is a schematic representation of a microfluidic structure for discussion of its mode of operation according to embodiments
  • FIG. 7a-e schematic representation to illustrate an embodiment for the sequential transport of the liquid according to embodiments
  • Fig. 8 is a representation of an embodiment for the sequential transport of the liquid with additional dilution of the liquid in the target chamber according to embodiments.
  • the pressure drop can be derived analytically or approximated.
  • the fluidic resistance of a channel can be determined, for example, by measuring the pressure drop and the flow rate. Unless otherwise stated, it can be assumed that fluidic resistances for the same fluids at the same temperatures are being compared.
  • p is the density of the liquid
  • w is the angular velocity with which the channel rotates around the center of rotation
  • r a is the outer radius of the liquid column
  • M is the inner radius of the liquid column.
  • DOCX Total pressure The pressure generated in a chamber is made up of two components: a vapor pressure generated by the ideal gas law and a vapor pressure generated by the evaporation of liquids. The total pressure of the system p total can be described by the following formula:
  • p gas describes the pressure generated by the ideal gas law and poampt the pressure generated by the evaporated liquid.
  • the formula for the proportion of vapor pressure is usually empirically determined correlations that are determined individually for each liquid and depend on the temperature. describes the relative humidity of the gas. At 100%, the gas is completely saturated with a liquid. In microfluidic structures, the gas is usually completely saturated.
  • fluidic structures e.g. microfluidic structures
  • Fluidic structures can define an overflow structure that can be used to measure liquid volumes. The basic principle here is that the liquid first fills a chamber with a defined volume and the remaining liquid is then transported to another chamber.
  • Compression chambers are chambers that either have no vent or only one vent with high fluidic resistance. This allows a pressure p total to build up in these chambers, which is described in the formula defined above.
  • liquid as used herein also includes in particular liquids that contain solid components, such as suspensions, biological samples and reagents.
  • this includes buffer solutions such as lysis buffers, binding buffers, washing buffers and elution buffers, as used in laboratory analysis and mobile diagnostics.
  • An inverted siphon channel is understood here to be a microfluidic channel or section of a microfluidic channel in a fluidic module (a centrifugal microfluidic cartridge) in which the inlet and outlet of the channel are at a greater distance
  • a siphon apex is the region of an inverse siphon channel in a fluidic module with a minimum distance from the center of rotation.
  • room temperature (20°C) is to be assumed with regard to temperature-dependent quantities.
  • Fig. 1 shows a centrifugal microfluidic cartridge module for operation in a centrifugal microfluidic device or a centrifuge.
  • the cartridge module 10 has three chambers 1, 2 and 3, where the first chamber 1 can be referred to as the output chamber, the second chamber 2 as the reaction chamber and the third chamber 3 as the target chamber. Chamber 2 is vented as shown, whereby this venting can either be directly into the environment or a connection to the rest of the fluidic network of the cartridge module.
  • the three chambers are connected to one another via a fluidic network, whereby the fluidic network has a central node ZP.
  • the central node ZP is located between the three chambers 1, 2 and 3 and connects them to one another.
  • the fluidic network has a first sub-channel (TK1), a second sub-channel (TK2) and a third sub-channel (TK3).
  • the first sub-channel (TK1) connects the node (ZP) with the first chamber.
  • the second sub-channel (TK2) connects the node (ZP) with the second chamber.
  • the third sub-channel (TK3) connects the node (ZP) with the third chamber.
  • the second chamber is directly connected to the third chamber via another channel, which is referred to as the second channel (K2) below. All three chambers (1, 2 and 3) as well as the fluidic network consisting of TK1 +TK2+TK3+ZP+K2 are mechanically coupled to one another, so that they can be used together, e.g. in a centrifuge (not shown), to rotate the axis of rotation 12 with the
  • DOCX Radius R can be rotated. Depending on the element, chamber 1, chamber 2, chamber 3 or central node ZP, the radii R to the rotation axis 12 are different. As a result, the fluids in the individual chambers (1, 2, 3) or Channels (TK1, TK2, TK3, K2) have different centrifugal forces. As a result of these centrifugal forces during rotation and the change in pressure in chamber 1, the fluid is moved in the fluidic network or from chamber 1 to chamber 2 to chamber 3. To control the individual An actuator is used for pumping processes, e.g. from chamber 1 to chamber 2 or from chamber 2 to chamber 3. According to embodiments, this actuator comprises means for generating pressure in chamber 1.
  • an overpressure and/or negative pressure can be generated in the chamber 1 in relation to an initial pressure, e.g. an initial pressure in the system comprising the components 1, 2, 3, TK1, TK2, TK3 and K2.
  • an overpressure is generated in the chamber. After the first pumping process, this overpressure is usually reduced via the fluidic network.
  • a negative pressure is then created in a second step, based on the initial pressure before the temperature reduction. , in the chamber 1.
  • the means for generating pressure 14 therefore comprise, according to embodiments, means for generating heat, such as a heater, and means for cooling the fluid in the chamber 1.
  • the structure of the centrifugal microfluidic cartridge 10 enables a pumping process from a chamber 1 acting as a compression chamber into a second, e.g. ventilated, chamber 2 in a pumping step 1 and a further pumping process (pumping step 2) into a third chamber 3 with the aid of the liquid/gas.
  • This second pumping step follows, for example, the first pumping step and can be referred to as a separate step.
  • the pumping step 1 is controlled or separated from the pumping step 2 by the means for generating pressure 14.
  • chamber 1 acts as an actuator for liquid transfer in the centrifugal microfluidic structure by heating or cooling the liquid/gas in chamber 1 to create either overpressure or negative pressure on at least parts of the
  • the transport of the liquid from chamber 1 to chamber 2 is carried out by overpressure, the transport of the liquid from chamber 2 to chamber 3 by negative pressure.
  • the core of the invention is that in the intermediate structure (TK2) after pumping step 1 either Inherently due to the design (small structures with high fluidic resistance) and/or due to residual liquid remaining in the intermediate structure after pumping step 1, there is a relatively high fluidic resistance compared to channel K2. Accordingly, for pumping step 2, the negative pressure can be the channels TK1 and TK3, chamber 3 and channel K2 are applied to the liquid in chamber 2 and this is transferred via channel K2 into chamber 3. Due to the different fluidic resistances of the intermediate structure and channel K2, the liquid is preferentially transferred through channel K2 into chamber 3 pumped.
  • the second channel (K2) connects the second chamber and third chamber to one another in a radially outer region or at the radially outer end of the chamber 2 (mouth of the chamber 2).
  • the second channel (K2) has at least one section directed radially inward. Radially inward means towards the axis of rotation 12 (closer to the axis of rotation).
  • the third sub-channel (TK3) also has a section that runs further inward, radially, than the second sub-channel (TK2).
  • the actuation principle is as follows: In centrifugal microfluidics, temperature or frequency changes are often used as actuation principles, among other possibilities, to generate the necessary pressure in compression chambers and thus enable liquid transport.
  • a disadvantage of current solutions is the space required by a large number of compression chambers in order to be able to implement sequential pumping steps.
  • the liquid in chamber 1 can, for example, be stored in a tubular bag (stick pack). Stick packs can be opened during processing by a centrifugal force or a combination of centrifugal force and temperature, which leads to the release of the liquid.
  • a centrifugal force or a combination of centrifugal force and temperature, which leads to the release of the liquid.
  • an overpressure is built up in the chamber.
  • the frequency is then reduced to such an extent that the overpressure in chamber 1 is greater than the maximum possible centrifugally induced hydrostatic pressure in sub-channel TK1.
  • the inner radius is the position of the node (corresponds to the apex of the inverse siphon formed by the sub-channels TK1 and TK2) and the outer radius corresponds to the radial position of the liquid meniscus in chamber 1.
  • the overpressure in chamber 1 is lower than the maximum possible hydrostatic pressure in the sub-channels TK1 and TK3 .
  • the structure explained above can be expanded to include further chambers.
  • a further chamber 5 which is arranged between the central node and the chamber 2.
  • the central node is also formed by a further chamber 4.
  • the two additional features namely the use of a chamber 4 as a node and the provision of a chamber between the node and the reaction chamber, can be used together, but also individually.
  • the channel section between the chamber 4 and the chamber 5 is designated here by the reference symbol
  • K3 can have a (high) fluidic resistance, e.g. a higher fluidic resistance than the channel K2 between chambers 2 and 3.
  • Fig. 7a-c show the pumping process from the output chamber 1 into the reaction chamber 2, assuming that the output chamber 1 is heated in the sequences shown in Fig. 7a-c.
  • Fig. 7d and 7e show the second pumping process, in which the output chamber 1 is cooled.
  • the rotation frequency f2 is greater than the rotation frequency f1 and f3.
  • the additional structures added, in particular the chamber 5 with the upstream channel K3, increase the robustness in operation and enable a lighter design.
  • the implementation of the node as a chamber also contributes to this.
  • a chamber 5 was introduced into the intermediate structure which, due to its geometric shape as an overflow chamber, retains a defined amount of liquid. This makes it possible to ensure that channel K3 always remains filled with liquid after liquid has flowed through it for the first time, thus enabling an effective pumping process from chamber 2 to chamber 3.
  • the negative pressure generated in chamber 1 only acts on the liquid in chamber 2 via the fluidic path TK1, chamber 4, TK3, chamber 3 and K2.
  • the initial state there is liquid in chamber 1 (Fig. 7a).
  • An increase in temperature local or global
  • chamber 5 part of the liquid remains in chamber 5, which is designed as an overflow structure, while the majority of the liquid is transferred directly via channel TK2 into the ventilated reaction chamber (chamber 2) (Fig. 7d).
  • chamber 2 part of the liquid remains in chamber 5, which is designed as an overflow structure, while the majority of the liquid is transferred directly via channel TK2 into the ventilated reaction chamber (chamber 2) (Fig. 7d).
  • Essential for the functionality in this embodiment is that liquid remains in chamber 5 and channel K3 and thus no sudden pressure equalization can take place via channels K3 and TK2 when the temperature is lowered.
  • the partial channel TK1 can form a type of siphon which, viewed radially, is located further inside than chamber 1 or the liquid level of chamber 1 (viewed radially, the liquid level furthest inside of chamber 1).
  • the central node can also be located further inside than chamber 1 or the liquid level furthest inside of chamber 1.
  • the central node is formed by chamber 4. The reason for this is that the rotational force alone does not transport the liquid towards the central node.
  • chamber 4 forms the central node.
  • the chamber 2 i.e. the reaction chamber, can be ventilated according to embodiments.
  • FIG. 9 Another embodiment can be seen in Fig. 9. This makes it possible to set up additional chambers next to chamber 3. These chambers are also connected to channel TK3.
  • Channel K2 branches off from chamber 2 and splits into channels K2.1, K2.2, ..., K2.N.
  • Such a structure enables the liquid to be aliquoted in the second pumping step.
  • the aliquoted volumes depend on the fluidic resistances of channels K2.1, K2.2, ..., K2.N.
  • a further embodiment creates a fluidic module that can be rotated about a center of rotation.
  • the fluidic module comprises the following features: a) a chamber 1 that is not vented b) with at least one outlet channel (TK1) that is attached radially to the outside of the chamber and opens into a node c) an intermediate structure leading from the node to a chamber 2 d) a channel leading from the node to a chamber 3 e) chamber 1 is partially filled with liquid, partially with a compressible medium f) a chamber 2 g) chamber 2 is fluidically connected to chamber 1 via an intermediate structure and to a chamber 3 via channel K2 h) the intermediate structure has a higher fluidic resistance for the flow of the same medium than channel K2.
  • chamber 2 can have further connections to a fluidic network
  • the chamber 2 can be vented via a channel.
  • the junction point can be formed as a T-piece (meeting of three channels or sub-channels).
  • the node point can be designed as a chamber.
  • the partial channel TK3 can be located radially inward between the central node and the third chamber, i.e. it can lead into the chamber at the node in such a way that the opening of the channel into the chamber is always above the maximum possible filling level of the chamber.
  • the means for generating pressure are designed to generate the negative pressure and/or the positive pressure independently of the rotation or at least to vary it independently of the rotation.
  • the positive pressure or the negative pressure can be generated or regulated by additional temperature input or cold input.
  • the sub-channel TK1 is connected to the central node ZP in such a way that the central node ZP is located radially further inward than the liquid level in the first chamber. This prevents a pumping process from being triggered by the rotation alone or - in other words - ensures that the pumping process is actively controlled by the aforementioned means for generating pressure.
  • At least one further chamber can exist in the intermediate structure, which is designed such that a part of the liquid flowing from chamber 1 into this chamber always remains in the connecting channel of these two chambers.
  • the chamber 1 can have a further outlet channel that connects this chamber to the third chamber. This channel is positioned radially outside of chamber 1 and radially inside of chamber 3.
  • the temperature of the liquid/gas is set by a heating element.
  • the heating element can be provided locally (only for chamber 1) or globally for the entire system.
  • the cooling element which is provided either locally for chamber 1 or globally for the entire fluidic module/system. .

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Abstract

Zentrifugalmikrofluidisches Kartuschenmodul zum Betrieb in einem zentrifugalmikrofluidischen Gerät und/oder Zentrifuge, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Kammer (1), die ausgebildet ist, eine Flüssigkeit und/oder Gas aufzunehmen und mittels Mitteln zur Druckerzeugung (14) die Flüssigkeit und/oder das Gas mit einem Unterdrück oder Überdruck bezogen auf einen Ausgangsdruck zu beaufschlagen; einer zweiten Kammer (2); einer dritten Kammer (3); und einem Knotenpunkt (ZP), der über ein fluidisches Netzwerk mit der ersten, zweiten und dritten Kammer (1, 2, 3) verbunden ist, wobei das fluidische Netzwerk einen ersten Teilkanal (TK1) aufweist, der den Knotenpunkt (ZP) mit der ersten Kammer (1) verbindet, einen zweiten Teilkanal (TK2), der den Knotenpunkt (ZP) mit der zweiten Kammer (2) verbindet, und einen dritten Teilkanal (TK3), der den Knotenpunkt mit der dritten Kammer (3) verbindet; wobei ein zweiter Kanal (K2) die zweite und dritte Kammer (2, 3) miteinander verbindet und in einem radial äußeren Bereich oder am radial äußeren Ende der zweiten Kammer (2) mündet und mindestens einen nach radial innen gerichteten Abschnitt aufweist; wobei der dritte Teilkanal (TK3) einen radial gesehen weiter innen verlaufenden Abschnitt aufweist als der zweite Teilkanal (TK2).

Description

Sequentielles Pumpen mittels eines Aktuators
Beschreibung
Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein zentrifugalmikrofluidisches Kartuschenmodul sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben des zentrifugalmikrofluidischen Kartuschenmoduls. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf sequentielles Pumpen mittels eines Aktuators.
Hintergrund
Die Mikrofluidik und ihre hier thematisierte Unterart der zentrifugale Mikrofluidik, bei der die Mikrofluidiken zur Flüssigkeitsaktuation rotiert werden, beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im fl - ml Bereich. Solche Systeme sind oft Polymereinwegkartuschen, da diese großes Potenzial zum günstigen Massenfertigen besitzen. Dadurch können Standardlaborprozesse, wie z. B. Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer zentrifugalmikrofluidischen Kartusche implementiert werden und vollständige Laborprozesse automatisiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Anwendungen findet die zentrifugale Mikrofluidik unter anderem in der Laboranalytik und Diagnostik.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter Mikrofluidik im Fokus das Prozessieren von Fluiden steht, diese Fluide sowohl einen flüssigen als auch auch einen gasförmigen Zustand haben können. Insofern versteht es sich, dass die mikrofluidischen Vorrichtungen auch für Gase geeignet sind.
Für viele mögliche Anwendungen, wie etwa die Extraktion und Aufreinigung von DNA, werden flüssige Reagenzien, wie z. B. Lyse-, Binde-, Wasch- und Elutionspuffer, zunächst aus jeweils einer Vorlagerungskammer in eine Reaktionskammer gepumpt und nach Reaktion in eine oder unterschiedliche Zielkammern gepumpt. Für jeden einzelnen dieser Pumpprozesse wird in der Regel ein separater Aktuator benötigt, insbesondere wenn die Reaktionskammer belüftet ist. Als Aktuationsprinzipien werden in der zentrifugalen Mikrofluidik neben anderen Möglichkeiten oft Temperatur- oder Frequenzänderung genutzt, um den nötigen
I I240302PCT-2024063148. DOCX Druck in Kompressionskammern zu erzeugen und so einen Flüssigkeitstransport zu ermöglichen (Beispielsweise indem bei einer vergleichsweise hoher Rotationsfrequenz mittels Flüssigkeit in einer Kompressionskammer ein Gasvolumen eingeschlossen und mittels hydrostatischem Druck komprimiert wird. Bei dem Wechsel auf eine vergleichsweise niedrigere Rotationsfrequenz expandiert das Gas und kann als Pumpmechanismus genutzt werden). Ein Nachteil aktueller Lösungen ist der Platzbedarf durch eine Vielzahl an Kompressionskammern, um sequentielle Pumpschritte realisieren zu können. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Stand der Technik
Nachfolgend wird auf den Stand der Technik eingegangen, und hier weitere Probleme beleuchtet. Insbesondere das Identifizieren von Problemen stellt auch schon einen Teil der Lösung dar und ist deshalb als Bestandteil der Erfindung zu sehen.
Eine Auswahl von gängigen Verfahren zum Flüssigkeitstransport in zentrifugalmikrofluidischen Kartuschen ist im Folgenden beschrieben.
In der Veröffentlichung von T. H. G. Thio et al. mit dem Titel “Push pull microfluidics on a multi-level 3D CD” Lab Chip, 2013,13, 3199-3209 wird eine mikrofluidische Struktur beschrieben (Fig. 2), die über eine Kompressionskammer verfügt, die zuerst beheizt wird. Der Überdruck wird genutzt, um Flüssigkeit über einen Siphon von Kammer B in die radial weiter außen befindliche Kammer A zu schalten. Anschließend wird die Kompressionskammer gekühlt und so die Flüssigkeit mittels Unterdrück zurück über den gleichen Siphon in die Ausgangskammer B zurückgezogen.
In der Veröffentlichung von P. Jülg et al. mit dem Titel “Automated serial dilutions for high- dynamic-range assays enabled by fill-level-coupled valving in centrifugal microfluidics” Lab Chip, 2019, 19, 2205-2219 wird eine mikrofluidische Struktur beschrieben, die in Abhängigkeit der Füllstandshöhe in einer Kammer das Schalten/Pumpen in eine weitere Kammer ermöglicht. Ähnlich wie zum angedachten Patent wird der Transfer dadurch ermöglicht, dass ein Kanal (Fig. 3, oben links: fill-level-coupled siphon) zu einem bestimmten Zeitpunkt teilweise mit Flüssigkeit gefüllt wird und somit für Gas nicht mehr zugänglich ist. Als Folge wird die Flüssigkeit über einen weiteren Kanal (transfer siphon) weitergepumpt.
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Bei L. Malic et al. mit dem Titel “Automated sample-to-answer centrifugal microfluidic system for rapid molecular diagnostics of SARS-CoV-2” Lab Chip, 2022, 22, 3157-3171 kommt grundsätzlich eine zentrifugalmikrofluidische Plattform zum Einsatz, die an ein externes Druckluftsystem angeschlossen ist (Fig. 4). Die Kammern und Kanäle des mikrofluidischen Chips können hier über mehrere Anschlüsse („pressure ports“) unter Über- oder Unterdrück gesetzt werden. In dem vorliegenden Beispiel wird der Anschluss 1 zuerst im Überdruck betrieben, um eine Flüssigkeit zu mischen, danach im Unterdrück, um die Flüssigkeit über einen Siphon in eine Kammer zu schalten.
Das Patent DE102016207845A1 & Familie beschreibt eine fluidische Struktur, die es ermöglicht, durch das temporäre Aufbauen eines Druckunterschieds in einer mikrofluidischen Kartusche einen Siphon zu primen und somit eine Ventilfunktion auszulösen (Fig. 5).
Ausführunqsbeispiele
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Konzept für die Aktuatorik zwischen zumindest drei Kammern zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen: ein zentrifugalmikrofluidisches Kartuschenmodul zum Betrieb in einem zentrifugalmikrofluidischen Gerät und/oder einer Zentrifuge. Das Kartuschenmodul umfasst eine erste Kammer, eine zweite Kammer und eine dritte Kammer. Die erste Kammer ist ausgebildet, ein Fluid und/oder ein Gas aufzunehmen und mittels Mitteln zur Druckerzeugung das Fluid und/oder das Gas mit einem Unterdrück und/oder Überdruck in Bezug auf einen Ausgangsdruck zu beaufschlagen. Ferner umfasst das Kartuschenmodul einen Knotenpunkt, der über ein fluidisches Netzwerk mit der ersten, zweiten und dritten Kammer verbunden ist. Das fluidische Netzwerk weist einen ersten T ei I- kanal (TK1 ), der den Knotenpunkt mit der ersten Kammer verbindet, einen zweiten Teilkanal (TK2), der den Knotenpunkt mit einer zweiten Kammer verbindet, und einen dritten Teilkanal (TK3), der den Knotenpunkt mit der dritten Kammer verbindet, auf. Ein zweiter Kanal (K2) verbindet die zweite und dritte Kammer miteinander, wobei dieser in einem radial äußeren Bereich oder am radial äußeren Ende der zweiten Kammer mündet und mindestens einen nach radial innen gerichteten Abschnitt aufweist. Der dritte Teilkanal (TK3) weist einen radial gesehen weiter innen verlaufenden Abschnitt auf als der zweite Teilkanal (TK2).
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Fluid zwischen drei Kammern hin und her gepumpt werden kann bzw. von einer ersten in eine zweite und von einer zweiten in eine dritte Kammer gepumpt werden kann, wenn diese drei Kammern durch ein fluidisches Netzwerk miteinander verbunden sind, nämlich indem das fluidische Netzwerk mit einem zentralen Knotenpunkt alle Kammern direkt verbindet, wobei die zweite Kammer (Reaktionskammer) und die dritte Kammer (Zielkammer) mit einer weiteren Verbindung, z. B. einer Direktverbindung, verbunden sind. Durch die geschickte Anordnung dieser Verbindung an der zweiten Kammer und die räumliche radiale Anordnung oder der entsprechenden Auslegung der fluidischen Widerstände der T eilkanäle und Kanäle, kann genau dieses Pumpen von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer zu der dritten Kammer erreicht werden. Die einzelnen Pumpaktivitäten werden durch einen in der ersten Kammer zu erzeugenden Unter- bzw. Überdruck im Vergleich zu einem Ausgangsdruck gesteuert. Beim Überdruck wird die Beförderung des Fluids von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer bewirkt, während beim Unterdrück die Beförderung des Fluids von der zweiten zur dritten Kammer bewirkt wird. Vorteil und Abgrenzung zum Stand der Technik ist das sequentielle Pumpen einer Flüssigkeit in verschiedene Kammern mithilfe einer einzigen Kammer zur Druckerzeugung (Unter-/Überdruck). Insbesondere die Möglichkeit, aus einer entlüfteten Kammer die Flüssigkeit in einem letzten Schritt in eine oder mehrere Zielkammern zu pumpen, lässt sich mit dem Stand der Technik nicht ohne zusätzliche mikrofluidische Akutationsstrukturen realisieren. Das Vorgehen dabei die Zwischenstruktur so auszulegen, dass diese beim ersten Pumpvorgang zum Flüssigkeitstransport verwendet werden kann, jedoch beim zweiten Pumpvorgang einen sehr hohen fluidischen Widerstand aufweist und somit nicht zum Druckabbau genutzt werden kann, ist dem Fachmann nicht ersichtlich.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist der zweite Teilkanal (TK2) einen höheren fluidischen Widerstand auf als der zweite Kanal (K2). Das ist bezogen auf das (gleiche) Fluid bzw. Gas. Mögliche Implementierungen dieser Variante sind die Variation des Querschnitts und/oder der Länge.
Der zweite Kanal (K2) und zweite Teilkanal (TK2) verlaufen entsprechend den Ausführungsbeispielen radial gesehen weiter außen im Vergleich zu dem dritten Teilkanal (TK3). Bei dem Transport der Flüssigkeit aus Kammer 1 mittels einem Überdruck in Kammer 2 wird so infolge der Rotation und der daraus resultierenden zentrifugalen Kräften im zweiten
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX und dritten Teilkanal (TK3) das Fluid über den zweiten Teilkanal (TK2) zu der zweiten Kammer ausgehend von dem Knotenpunkt befördert, wobei der Überdruck die Beförderung des Fluids von der ersten Kammer zu dem Knotenpunkt bewirkt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt bei Anlegen eines Unterdrucks eine Beförderung des Fluids von der zweiten Kammer in Richtung zu der ersten Kammer, allerdings über den Weg, der den kleineren fluidischen Widerstand aufweist. Ausgehend von einem Fluid in der zweiten Kammer weist der zweite Kanal (K2) im Vergleich zu dem zweiten Teilkanal (TK2) den kleineren fluidischen Widerstand auf, so dass das Fluid von der zweiten zu der dritten Kammer befördert wird. Somit ist es also vorteilhafterweise möglich, durch einen Unterdrück eine Beförderung des Fluids von der zweiten zu der dritten Kammer zu bewirken, während entsprechend Ausführungsbeispielen das Fluid von der ersten zu der zweiten Kammer beim Überdruck bewirkt wird (siehe oben). Entsprechend einer alternativen Variante kann statt oder additiv zum fluidischen Widerstand eine geometrische Anordnung der Scheitelpunkte des zweiten Kanals (K2) und des zweiten Teilkanals (TK2) eingesetzt werden. Entsprechend Ausführungsbeispielen weist das Kartuschenmodul einen Scheitelpunkt im zweiten Kanal (K2) auf, der radial weiter außen liegt als ein Scheitelpunkt des zweiten Teilkanals (TK2), so dass bei der Befüllung des zweiten Kanals (K2) eine kleinere maximale hydrostatische Gegenkraft auf das Fluid und/oder das Gas bewirkt wird als beim Befüllen des zweiten Teilkanals (TK2). Auf diese Weise kann vorteilhafterweise der Pumpvorgang von der zweiten Kammer zu der dritten Kammer realisiert werden.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weisen die Mittel zur Druckerzeugung beispielsweise Mittel zur Temperierung des Fluids und/oder des Gases auf. Hierbei handelt es sich insbesondere um Heiz- und/oder Kühlmittel, die ausgebildet sind, mittels einer Temperaturerhöhung den Überdruck und mittels einer Temperaturreduzierung den Unterdrück in der ersten Kammer zu erzeugen. Diese Heiz- und/oder Kühlmittel können entweder nur lokal auf bestimmte Teile der mikrofluidischen Struktur (z.B. über ein oder mehre Peltierelemente, die sich in der Nähe dieser Teile der mikrofluidischen Struktur befinden) oder auf die komplette Kartusche (z.B. über eine Beheizung oder Kühlung des Raums, in dem die Kartusche während der Flüssigkeitsaktuation befindet).
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann ein Behältnis in der ersten Kammer eingelegt sein oder eingelegt werden, wobei das Behältnis in der ersten Kammer aufgrund einer Beschleunigung und/oder Kombination aus einer Beschleunigung herrührenden hydrostatischen Kraft und T emperaturerhöhung geöffnet wird. Das heißt also, dass die erste Kammer
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX ausgebildet ist, ein Behältnis in der ersten Kammer aufgrund einer Beschleunigung und/oder Kombination aus einer Beschleunigung herrührenden hydrostatischen Kraft und Temperaturerhöhung zu öffnen. Die Beschleunigung und/oder Temperaturerhöhung wird beispielsweise durch eine Steuerung gesteuert.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist das Kartuschenmodul eine Steuerung auf und ist mit einer Steuerung verbunden, die ausgebildet ist, einen Pumpvorgang eines Fluids von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer durch eine Erhöhung der Temperatur in der ersten Kammer und optional zusätzlich eine Reduzierung einer Rotationsfrequenz des Kartuschenmoduls zu bewirken. Alternativ ist die Steuerung ausgebildet, durch eine Temperaturerhöhung und optional zusätzlich eine Reduzierung der Rotationsfrequenz des Kartuschenmoduls, einen Pumpvorgang des Fluids von der ersten Kammer in die zweite Kammer zu induzieren, wobei der Pumpvorgang dadurch gekennzeichnet ist, dass der Überdruck in der ersten Kammer ausreichend groß ist um die Flüssigkeit über den Scheitelpunkt des von TK1 und TK2 gebildeten inversen Siphons zu befördern. Dabei ist der Überdruck kleiner als der Druck, der nötig wäre, um die Flüssigkeit über den Scheitelpunkt des von TK1 und TK3 gebildeten inversen Siphons zu befördern.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist die Steuerung ausgebildet, eine Temperaturreduzierung des Fluids in der ersten Kammer zu bewirken. Hierbei kann so ein Unterdrück in der ersten Kammer erzeugt werden, der über den ersten Teilkanal (TK1 ) und den zweiten Teilkanal (TK2) oder auch über den ersten Teilkanal (TK1 ), den dritten Teilkanal (TK3) und den zweiten Kanal (K2) auf das Fluid in der zweiten Kammer wirkt. Durch diesen Unterdrück wird dann entsprechend Ausführungsbeispielen die Beförderung des Fluids von der zweiten Kammer in die dritte Kammer bewirkt, wie bereits oben erläutert wurde.
Entsprechend Ausführungsbeispielen weist die dritte Kammer eine Verbindung zum zweiten Kanal auf, die radial weiter innen angeordnet ist als der maximal mögliche Füllstand der dritten Kammer.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Knotenpunkt durch eine weitere Kammer gebildet. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, zu verhindern, dass der dritte Teilkanal (TK3) während des ersten Pumpvorgangs mit Flüssigkeit befüllt wird. Hierzu kann beispielsweise die Mündung des dritten Teilkanals (TK3) in die Kammer so ausgeprägt sein, dass sie sich am oberen Rand der Kammer befindet und somit über dem maximal möglichen Füllstand liegt. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel ist dann
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX möglich, dass zwischen dem Knotenpunkt und der zweiten Kammer zusätzliche Kammern vorgesehen sind, z. B. in Form einer Art Kaskadierung. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der zweite Teilkanal (TK2) ausgebildet, beim Transport des Fluids von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer einen Teil des Fluids zurückzuhalten. Dies kann unter anderem durch eine entsprechende Anordnung der Kanäle an zusätzliche Kammern erfolgen, sodass sich diese nicht komplett leeren.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist das Kartuschenmodul ausgebildet, in einer Zentrifuge angeordnet zu werden und/oder mittels einer Zentrifuge zentrifugiert zu werden. Das heißt also, dass entsprechend Ausführungsbeispielen eine Zentrifuge mit einem entsprechenden Kartuschenmodul geschaffen wird. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist die erste Kammer, die zweite Kammer und die dritte Kammer um eine Rotationsachse bzw. gemeinsame Rotationsachse rotierbar.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel kann zwischen der ersten Kammer und der dritten Kammer eine Direktverbindung vorgesehen sein. Eine solche Struktur ermöglicht es beispielsweise die Flüssigkeit nach Direktion in die dritte Kammer mit der Ausgangsflüssigkeit zu verdünnen.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere weitere dritte Kammern parallel zu der dritten Kammer vorgesehen, die zwischen dem dritten Teilkanal (TK3) und dem zweiten Kanal angeordnet sind. Hierdurch kann eine Aufspaltung des Fluids auf mehrere Kammern erreicht werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass in der ersten Kammer die Flüssigkeit nicht zwingend direkt vorliegen muss, sondern auch als Art Schlauchbeutel oder insbesondere Stickpack vorgesehen ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betreiben eines Kartuschenmoduls mit den folgenden Schritten:
Anlegen eines Überdrucks zum Befördern eines Fluids und/oder Gases von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer; und
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Anlegen eines Unterdrucks zum Transportieren eines Fluids und/oder Gases von der zweiten Kammer zu der dritten Kammer.
Weitere Bildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Figurenkurzbeschreibung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mikrofludischen Layouts gemäß einem Basisausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Illustration des Prinzips der Veröffentlichung von Thio et al.;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schaltprinzips der Veröffentlichung von Jülg et al.;
Fig. 4 eine Illustration des Layouts und der fluidischen Operation 1 und 2 bei L. Malic et al.;
Fig. 5 ein Layout der DE 10201620785 A1 ;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer mikrofluidischen Struktur zur Diskussion deren Wirkungsweise gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 7a-e schematische Darstellung zur Illustration eines Ausführungsbeispiels zum sequentiellen Transport der Flüssigkeit gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 8 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels zum sequentiellen Transport der Flüssigkeit mit zusätzlicher Verdünnung der Flüssigkeit in der Zielkammer gemäß Ausführungsbeispielen; und
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, bei welchem das Aliquotieren der Flüssigkeit mit einem zweiten Pumpschritt ermöglicht ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
Bevor auf weitere Details zu Ausführungsbeispielen eingegangen wird, werden die hinter den Ausführungsbeispielen stehenden physikalischen Wirkprinzipien erläutert.
Fluidischer Widerstand: Der fluidische Widerstand eines Kanals kann definiert werden als Quotient des Druckabfalls Ap in einem Kanal und der Flussrate q:
R = Ap/q.
In Abhängigkeit der Kanalquerschnittsgeometrie kann der Druckabfall analytisch hergeleitet beziehungsweise angenähert werden. Der fluidische Widerstand eines Kanals kann beispielsweise durch Messen des Druckabfalls und der Flussrate ermittelt werden. Ist hierein nichts Anderes angegeben, ist davon auszugehen, dass jeweils fluidische Widerstände für gleiche Fluide bei gleichen Temperaturen verglichen werden.
Hydrostatischer Druck durch Zentrifugation: Der hydrostatische Druck Hydrostatisch auf eine Flüssigkeitssäule in einem Kanal im zentrifugalen Schwerefeld kann mit folgender Formel berechnet werden:
Dabei steht p für die Dichte der Flüssigkeit, w für die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Kanal um das Rotationszentrum dreht, rafür den äußeren Radius der Flüssigkeitssäule und M für den inneren Radius der Flüssigkeitssäule. Diese Formel ist auch gültig, wenn sich die Flüssigkeitssäule nicht auf einen Kanal beschränkt, sondern beispielsweise eine Kammer und einen angeschlossenen Kanal teilweise füllt.
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Gesamter Druck: Der in einer Kammer erzeugte Druck setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: einem durch das ideale Gasgesetz erzeugtem und einem durch das Verdunsten der Flüssigkeiten entstehenden Dampfdrucks. Der gesamte Druck des Systems pGesamt kann durch folgende Formel beschrieben werden:
Hierbei beschreibt pGas den Druck, der durch das ideale Gasgesetz erzeugt wird und poampt den Druck, der durch die verdunstete Flüssigkeit entsteht. Die Formel für den Anteil des Dampfdrucks sind in der Regel empirisch bestimmte Korrelationen, die für jede Flüssigkeit individuell bestimmt werden und von der Temperatur abhängen. beschreibt die relative Feuchtigkeit des Gases. Bei 100% ist das Gas vollständig mit einer Flüssigkeit gesättigt. In mikrofluidischen Strukturen ist das Gas in der Regel vollständig gesättigt.
Beispiele von Fluidikstrukturen, z.B. mikrofluidischen Strukturen, sind Fluidkanäle und Fluidkammern. Fluidikstrukturen können eine Überlaufstruktur definieren, mit deren Hilfe Flüssigkeitsvolumen abgemessen werden können. Grundprinzip ist hierbei, dass die Flüssigkeit zunächst eine Kammer mit definiertem Volumen füllt und die verbleibende Flüssigkeit danach in eine weitere Kammer transportiert wird. Kompressionskammern sind Kammern, die entweder keine oder nur eine Entlüftung mit hohem fluidischem Widerstand besitzen. Dadurch lässt sich in diesen Kammern ein Druck pGesamt aufbauen, der in der oben definierten Formel beschrieben ist.
Unter den Ausdruck Flüssigkeit, wie er hierin verwendet wird, fallen, wie Fachleuten offensichtlich ist, insbesondere auch Flüssigkeiten, die Feststoffbestandteile beinhalten, wie z.B. Suspensionen, biologische Proben und Reagenzien. Insbesondere fallen darunter Pufferlösungen, wie z.B. Lysepuffer, Bindepuffer, Waschpuffer und Elutionspuffer, wie sie bei einer Laboranalytik und mobilen Diagnostik Anwendung finden.
Unter einem invertierten Siphonkanal wird hierin ein mikrofluidischer Kanal oder Abschnitt eines mikrofluidischen Kanals in einem Fluidikmodul (einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche) verstanden, bei dem Eingang und Ausgang des Kanals einen größeren Abstand
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX vom Rotationszentrum aufweisen als ein Zwischenbereich des Kanals. Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich eines inversen Siphonkanals in einem Fluidikmodul mit minimalem Abstand vom Rotationszentrum zu verstehen.
Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.
Ist hierin nichts Anderes angegeben, ist hinsichtlich temperaturabhängiger Größen jeweils von Raumtemperatur (20°C) auszugehen.
Fig. 1 zeigt ein zentrifugalmikrofluidisches Kartuschenmodul zum Betrieb in einem zentrifugalmikrofluidischen Gerät oder einer Zentrifuge. Das Kartuschenmodul 10 weist drei Kammern 1 , 2 und 3 auf, wobei die erste Kammer 1 als Ausgangskammer, die zweite Kammer 2 als Reaktionskammer und die dritte Kammer 3 als Zielkammer bezeichnet werden kann. Kammer 2 ist dabei wie dargestellt entlüftet, wobei diese Entlüftung entweder direkt in die Umgebung, oder eine Verbindung in das restliche Fluidiknetzwerk des Kartuschenmoduls darstellen kann. Die drei Kammern sind über ein fluidisches Netzwerk miteinander verbunden, wobei das fluidische Netzwerk einen zentralen Knotenpunkt ZP aufweist. Der zentrale Knotenpunkt ZP befindet sich zwischen den drei Kammern 1 , 2 und 3 und verbindet diese miteinander. Hierzu weist das fluidische Netzwerk einen ersten Teilkanal (TK1 ), einen zweiten Teilkanal (TK2) und einen dritten Teilkanal (TK3) auf. Der erste Teilkanal (TK1 ) verbindet den Knotenpunkt (ZP) mit der ersten Kammer. Der zweite Teilkanal (TK2) verbindet den Knotenpunkt (ZP) mit der zweiten Kammer. Der dritte Teilkanal (TK3) verbindet den Knotenpunkt (ZP) mit der dritten Kammer. Darüber hinaus ist die zweite Kammer mit der dritten Kammer direkt über einen weiteren Kanal verbunden, der als zweiter Kanal (K2) nachfolgend bezeichnet wird. Alle drei Kammern (1 , 2 und 3) sowie das fluidische Netzwerk bestehend aus TK1 +TK2+TK3+ZP+K2 sind mechanisch miteinander gekoppelt, so dass diese gemeinsam z. B. in einer Zentrifuge (nicht dargestellt), um die Rotationsachse 12 mit dem
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Radius R rotiert werden können. Je nach Element, Kammer 1 , Kammer 2, Kammer 3 oder zentraler Knotenpunkt ZP, sind die Radien R zu der Rotationsachse 12 unterschiedlich. Infolgedessen erfahren die Fluide in den einzelnen Kammern (1 , 2, 3) bzw. Kanälen (TK1 , TK2, TK3, K2) unterschiedliche Zentrifugalkräfte. Infolge dieser Zentrifugalkräfte bei Rotation sowie der Veränderung des Drucks in Kammer 1 wird das Fluid in dem fluidischen Netzwerk bzw. von Kammer 1 zu Kammer 2 zu Kammer 3 bewegt. Zur Steuerung der einzelnen Pumpvorgänge, z. B. von Kammer 1 zu Kammer 2 oder von Kammer 2 zu Kammer 3, wird eine Aktuatorik eingesetzt. Diese Aktuatorik umfasst gemäß Ausführungsbeispielen Mittel zur Druckerzeugung in der Kammer 1. Diese Mittel sind mit dem Bezugszeichen 14 versehen und können gemäß Ausführungsbeispielen durch Temperierungsmittel implementiert sein. Mittels einer Temperaturvariation kann ein Überdruck und/oder Unterdrück in der Kammer 1 bezogen auf einen Ausgangsdruck, z. B. einen Ausgangsdruck in dem System umfassend die Komponenten 1 , 2, 3, TK1 , TK2, TK3 und K2 erzeugt werden. Durch eine Erwärmung des Fluids in der Kammer 1 wird ein Überdruck in selbiger erzeugt. Nach dem ersten Pumpvorgang baut sich dieser Überdruck in der Regel über das fluidische Netzwerk ab. Durch Reduzierung der Temperatur wird dann in einem zweiten Schritt ein Unterdrück, bezogen auf den Ausgangsdruck vor der Temperaturerniedrigung, in der Kammer 1 erzeugt. Die Mittel zur Druckerzeugung 14 umfassen also entsprechend Ausführungsbeispielen Mittel zur Wärmeerzeugung, wie z. B. eine Heizung, und Mittel zur Kühlung des Fluids in der Kammer 1 .
Nachdem nun die Struktur erläutert wurde, wird nachfolgend auf die Funktionsweise eingegangen.
Die Struktur der zentrifugalmikrofluidischen Kartusche 10 ermöglicht mithilfe der Flüssigkeit/ des Gases aus einer als Kompressionskammer wirkenden Kammer 1 einen Pumpvorgang in eine zweite z. B. belüftete Kammer 2 in einem Pumpschritt 1 sowie einen weiteren Pumpvorgang (Pumpschritt 2) in eine dritte Kammer 3. Dieser zweite Pumpschritt schließt sich beispielsweise an den ersten Pumpschritt an und kann als separater Schritt bezeichnet werden. Eine Steuerung bzw. Separierung des Pumpschritts 1 von dem Pumpschritt 2 erfolgt durch die Mittel zur Druckerzeugung 14.
Kammer 1 fungiert neben der Zentrifugalkraft als Aktuator zum Flüssigkeitstransfer in der zentrifugalmikrofluidischen Struktur, indem durch Heizen oder Kühlen der in Kammer 1 befindlichen Flüssigkeit/Gases entweder Überdruck oder Unterdrück auf zumindest Teile der
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Bezüglich dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 sei angemerkt, dass man bei dem fluidischen Netzwerk zwischen zwei unterschiedlichen Implementierungen unterscheiden kann, wobei auch Mischformen zum Einsatz kommen können. Beide Implementierungen haben gemein, dass der zweite Kanal (K2) die zweite Kammer und dritte Kammer miteinander verbindet und zwar in einem radial äußeren Bereich bzw. am radial äußeren Ende der Kammer 2 (Mündung der Kammer 2). Ferner weist der zweite Kanal (K2) mindestens einen nach radial innen gerichteten Abschnitt auf. Radial innen heißt zu der Rotationsachse 12 hin (näher an der Rotationsachse liegend). Der dritte Teilkanal (TK3) weist ferner einen radial gesehen weiter innen verlaufenden Abschnitt auf als der zweite Teilkanal (TK2). Ausgehend von dieser Grundstruktur kann nun entsprechend einer ersten Variante der zweite Teilkanal (TK2) bezogen auf die gleiche Flüssigkeit bzw. Gas einen höheren fluidischen Widerstand aufweisen als der zweite Kanal (K2). Entsprechend einer zweiten Variante kann ein Scheitelpunkt im zweiten Kanal (K2) weiter radial außen liegen als ein Scheitelpunkt im zweiten Teilkanal (TK2), so dass der hydrostatische Druck, der aufgrund der Rotation während des zweiten Pumpprozesses überwunden werden muss, im zweiten Kanal (K2) geringer ist als im zweiten Teilkanal (TK2). Der Scheitelpunkt im zweiten Kanal (K2) ist mit SK2, der Scheitelpunkt im zweiten Teilkanal (TK2) mit STK2 versehen. Die radiale Differenz der beiden Scheitelpunkte ist mit Ar gekennzeichnet. Erfüllt der Unterdrück jetzt die Bedingung, dass er kleiner als der im zweiten Teilkanal (TK2) wirkende hydrostatische Druck beim Erreichen von STK2 ist, und größer als der hydrostatische Druck im zweiten Kanal (K2) beim Erreichen von SK2, so wird die Flüssigkeit ausschließlich in die dritte Kammer transferiert, da der Siphon bestehend aus TK1 , ZP und TK2 nicht geprimed werden kann. Beide Varianten ermöglichen es bei Anlegen eines Unterdrucks in der ersten Kammer mittels des Elements
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Nachfolgend wird der oben erläuterte Aufbau noch einmal mit anderen Worten beschrieben und hierbei auf optionale Aspekte eingegangen. Kammer 3 kann beliebig zu Kammer 2 angeordnet sein (d.h. beispielsweise insbesondere auch radial einwärts). Kammer 2 und Kammer 3 sind über einen Kanal (K2) verbunden. Kammer 3 ist darüber hinaus mit einem Kanal TK3 mit einem Knotenpunkt (ZP) verbunden. Der Knotenpunkt kann hierbei als T- Stück (Zusammentreffen dreier Kanäle) oder als Kammer ausgelegt sein. Von diesem Knotenpunkt führt eine Zwischenstruktur (TK2), die hierbei aus mindestens einem Kanal und keiner oder mindestens einer Zwischenkammer besteht, zu Kammer 2. Kammer 1 ist über den Kanal TK1 ebenfalls mit dem Knotenpunkt verbunden.
Bei der hier vorliegenden Vorrichtung stellt sich das Aktuationsprinzip wie folgt dar: Als Ak- tuationsprinzipien werden in der zentrifugalen Mikrofluidik neben anderen Möglichkeiten oft Temperatur- oder Frequenzänderungen genutzt, um den nötigen Druck in Kompressionskammern zu erzeugen und so einen Flüssigkeitstransport zu ermöglichen. Ein Nachteil aktueller Lösungen ist der Platzbedarf durch eine Vielzahl an Kompressionskammern, um sequenzielle Pumpschritte realisieren zu können.
Das Verfahren dahinter lässt sich dann wie folgt beschreiben: Die Flüssigkeit in Kammer 1 kann beispielsweise in einem Schlauchbeutel (Stickpack) vorgelagert sein. Stickpacks können während des Prozessierens durch eine zentrifugale Kraft oder eine Kombination aus zentrifugaler Kraft und Temperatur geöffnet werden, was zu einer Freisetzung der Flüssigkeit führt. Durch eine Temperaturerhöhung in Kammer 1 wird in selbiger ein Überdruck aufgebaut. Anschließend wird die Frequenz soweit reduziert, dass der Überdruck in Kammer 1 größer ist als der maximal mögliche zentrifugal induzierte hydrostatische Druck in Teilkanal TK1 . Hierbei ist der innere Radius die Position des Knotenpunktes (entspricht dem Scheitelpunkt des inversen Siphons, der von den Teilkanälen TK1 und TK2 ausgeformt wird) und der äußere Radius entspricht der radialen Position des Flüssigkeitsmeniskus in Kammer 1 .
Der Überdruck in Kammer 1 ist jedoch niedriger als der maximal mögliche hydrostatische Druck in in den Teilkanälen TK1 und TK3 . Durch eine geeignete Wahl des Überdrucks in Kammer 1 und der Rotationsfrequenz des Kartuschenmoduls wird sichergestellt, dass die
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Durch Kanal TK3 wird keine Flüssigkeit gepumpt, er dient lediglich dem Gasaustausch zwischen Kammer 1 und Kammer 3, sobald die Flüssigkeit aus Kammer 1 gepumpt wurde und die Kanäle TK1 sowie TK3 mit Gas gefüllt sind. Um den zweiten Pumpprozess zu realisieren, wird Kammer 1 gekühlt, wodurch ein Unterdrück gegenüber dem restlichen Druckniveau in der mikrofluidschen Kartusche in dieser Kammer entsteht. Dieser wirkt einerseits über die Kanäle TK1 und TK2 und andererseits über die Kanäle TK1 , TK3 und K2 auf die Flüssigkeit in Kammer 2. Der fluidische Widerstand von Kanal TK2 ist im Verhältnis zum Kanal K2 dabei so hoch, dass die Flüssigkeit während des Pumpprozesses nicht den Verzweigungspunkt von TK1 , TK2 und TK3 (ZP) erreicht und somit nahezu komplett über Kanal K2 in Kammer 3 gepumpt wird.
Alle Ausführungsbeispiele haben gemein, dass diese eine mikrofluidische Struktur beschreiben, mit der eine Flüssigkeit ausschließlich mittels einer einzigen Kompressionskammer sequentiell in mehrere hintereinander geschaltete, z. B. belüftete Kammern, gepumpt werden kann. Mögliche Anwendungen sind hierbei die Extraktion und Aufreinigung von DNA, bei welcher flüssige Reagenzien, wie z. B. Lyse-, Binde-, Wasch- und Elutionspuffer zunächst aus einer Vorlagerungskammer 1 in eine Reaktionskammer 2 gepumpt werden und nach der Reaktion weiter in eine Zielkammer 3 gepumpt werden.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die oben erläuterte Struktur um weitere Kammern erweitert werden. Bei der in Fig. 7a-e dargestellten Variante gibt es neben den drei Kammern 1 , 2, 3 (Ausgangskammer, Reaktionskammer und Zielkammer) eine weitere Kammer 5, die zwischen dem zentralen Knotenpunkt und der Kammer 2 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch der zentrale Knotenpunkt durch eine weitere Kammer 4 geformt. Die beiden zusätzlichen Merkmale, nämlich Verwendung einer Kammer 4 als Knotenpunkt und Vorsehen einer Kammer zwischen dem Knotenpunkt und der Reaktionskammer, können zusammen, aber auch für sich einzeln eingesetzt werden. Der Kanalabschnitt zwischen der Kammer 4 und der Kammer 5 ist hier mit dem Bezugszeichen
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX K3 versehen. K3 kann entsprechend optimalen Ausführungsbeispielen einen (hohen) fluidischen Widerstand aufweisen, z. B. einen höheren fluidischen Widerstand als der Kanal K2 zwischen Kammer 2 und 3.
In den Fig. 7a-c ist der Pumpvorgang von der Ausgangskammer 1 in die Reaktionskammer 2 dargestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass die Ausgangskammer 1 in den in den Fig. 7a-c dargestellten Sequenzen beheizt ist. In den Fig. 7d und 7e ist der zweite Pumpvorgang illustriert, bei welchem die Ausgangskammer 1 gekühlt wird. Nachdem nun die Struktur und auch die Illustration von dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 7a-d erläutert wurde, wird auf die Funktionsweise eingegangen. Es sei angemerkt, dass die Rotationsfrequenz f2 größer ist als die Rotationsfrequenz f1 und f3. Durch die zusätzlich eingefügten Strukturen, insbesondere die Kammer 5 mit dem vorgeschalteten Kanal K3, wird die Robustheit in Betrieb gesteigert sowie eine leichtere Auslegung ermöglicht. Die Implementierung des Knotenpunkts als Kammer trägt ebenfalls dazu bei.
Darüber hinaus wurde in der Zwischenstruktur eine Kammer 5 eingeführt, die durch ihre geometrische Ausformung als Überlaufkammer eine definierte Menge Volumen an Flüssigkeit zurückhält. Dies ermöglicht es, sicherzugehen, dass der Kanal K3 nach dem erstmaligen Durchströmen mit Flüssigkeit stets mit Flüssigkeit gefüllt bleibt und somit ein effektiver Pumpprozess von Kammer 2 in Kammer 3 stattfinden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt der in Kammer 1 generierte Unterdrück nur über den fluidischen Pfad TK1 , Kammer 4, TK3, Kammer3 und K2 auf die Flüssigkeit in Kammer 2. Im Ausgangszustand befindet sich Flüssigkeit in Kammer 1 (Fig. 7a). Durch eine Temperaturerhöhung (lokal oder global) wird ein Überdruck pGesamt in Kammer 1 erzeugt. Ab einer bestimmten Temperatur ist der in Kammer 1 generierte Überdruck größer als der zentrifugal induzierte hydrostatische Druck auf die Flüssigkeit in Kanal TK1. Dadurch wird die Flüssigkeit aus Kammer 1 in Kammer 4 gepumpt (Fig. 7b). Sobald das gesamte Flüssigkeitsvolumen in Kammer 4 gepumpt wurde, wird der Überdruck über Kanal TK1 , TK3 und K2 sowie die entlüftete Kammer 2 vollständig ausgeglichen. Durch Erhöhen der Rotationsfrequenz wird anschließend die Flüssigkeit zunächst aus Kammer 4 durch Kanal K3 in die Kammer 5 und ein Teil der Flüssigkeit dann durch TK2 in Kammer 2 transferiert (Fig. 7c).
In diesem Ausführungsbeispiel verbleibt ein Teil der Flüssigkeit in Kammer 5, die als Überlaufstruktur konzipiert ist, während der Großteil der Flüssigkeit unmittelbar über Kanal TK2 weiter in die belüftete Reaktionskammer (Kammer 2) transferiert wird (Fig. 7d). In Kammer
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Durch eine T emperaturreduzierung wird anschließend ein Unterdrück in Kammer 1 erzeugt. Da die Kammern 3 und 4 über die Kanäle TK3 und TK1 mit Kammer 1 verbunden sind, herrscht auch in diesen Kammern ein Unterdrück. Wenn die Rotationsfrequenz der Kartusche verringert wird, sinkt der zentrifugale Druck auf die Flüssigkeit in Kanal K2 und durch den in Kammer 3 herrschenden Unterdrück wird die Flüssigkeit in Kammer 3 gepumpt. Zeitgleich wird auch die in Kammer 5 verbliebene Flüssigkeit durch Kanal K3 in Kammer 4 gepumpt. Üblicherweise weist Kanal K3 einen höheren fluidischen Widerstand auf als Kanal K2, um sicherzustellen, dass auch bei geringem Volumen in Kammer 5 der Pumpprozess in Kammer 3 zuerst abgeschlossen ist.
Essentiell für die Funktionsweise in diesem Ausführungsbeispiel ist, dass Flüssigkeit in Kammer 5 und Kanal K3 zurückbleibt und somit kein schlagartiger Druckausgleich über die Kanäle K3 und TK2 stattfinden kann, wenn die Temperatur abgesenkt wird.
Weitere Ausführungsbeispiele sind denkbar. So kann, wie in Fig. 8 dargestellt, parallel zum Pumpen der Flüssigkeit aus Kammer 1 in Kammer 4, ein Teil der Flüssigkeit aus Kammer 1 in die Zielkammer (Kammer 3) gepumpt werden, wobei das Verhältnis der gepumpten Volumina vom Widerstandsverhältnis der Kanäle TK1 und K4 abhängt. Eine solche mikrofluidische Struktur ermöglicht es beispielsweise, die Flüssigkeit nach der Reaktion in der Zielkammer mit der Ausgangsflüssigkeit zu verdünnen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen der Teilkanal TK1 eine Art Siphon ausbilden kann, der radial gesehen weiter innen liegend ist als die Kammer 1 oder das Flüssigkeits- level der Kammer 1 (radial gesehen weitest innen liegendes Flüssigkeitslevel der Kammer 1 ). Alternativ hierzu kann der zentrale Knotenpunkt auch weiter innen liegen als die Kammer 1 oder das am weitesten innen liegende Flüssigkeitslevel der Kammer 1. Hier in diesem Ausführungsbeispiel ist, wie oben bereits erwähnt, der zentrale Knotenpunkt durch die Kammer 4 gebildet. Das hat den Hintergrund, dass allein durch die Rotationskraft keine Beförderung der Flüssigkeit in Richtung zum zentralen Knotenpunkt erfolgt Hier bildet die Kammer 4 beispielsweise den zentralen Knotenpunkt.
Hier ist ferner zu erkennen, dass die Kammer 2, also die Reaktionskammer, entsprechend Ausführungsbeispielen belüftet sein kann.
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wurde, dass die Mittel zur Druckerzeugung durch Mittel zur Temperierung, wie zum Beispiel zum Heizen oder Kühlen vorgesehen sein können, so kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch ein anderes Prinzip zur Druckerzeugung z. B. eine chemische Reaktion oder mechanische Volumenreduzierung, verwendet werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 9 zu sehen. So ist es möglich weitere Kammern neben Kammer 3 zu setzen. Diese Kammern sind ebenfalls mit Kanal TK3 verbunden. Von Kammer 2 geht der Kanal K2 ab, der sich in die Kanäle K2.1 , K2.2, ..., K2.N aufspaltet. Durch eine solche Struktur wird ein Aliquotieren der Flüssigkeit im zweiten Pumpschritt ermöglicht. Die aliquotierten Volumina hängen dabei von den fluidischen Widerständen der Kanäle K2.1 , K2.2, ..., K2.N ab.
Alternativen
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die obigen Figuren skizziert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist. Das Fluidikmodul umfasst folgende Merkmale: a) eine Kammer 1 , die nicht entlüftet ist b) mit mindestens einem Auslasskanal (TK1 ), der radial außen an der Kammer angebracht ist und in einen Knotenpunkt mündet c) wobei vom Knotenpunkt eine Zwischenstruktur zu einer Kammer 2 führt d) wobei vom Knotenpunkt ein Kanal zu einer Kammer 3 führt e) wobei die Kammer 1 teilweise mit Flüssigkeit, teilweise mit einem kompressiblem Medium gefüllt ist f) eine Kammer 2 g) wobei Kammer 2 fluidisch mit Kammer 1 über eine Zwischenstruktur und mit einer Kammer 3 über Kanal K2 verbunden ist h) wobei, die Zwischenstruktur einen höheren fluidischen Widerstand für das Durchströmen des gleichen Mediums aufweist als Kanal K2. i) wobei Kammer 2 weitere Verbindungen zu einem fluidischen Netzwerk aufweisen kann
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Kammer 2 über einen Kanal entlüftet sein.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der Knotenpunkt als T-Stück (Zusammentreffen dreier Kanäle bzw. Teilkanäle) ausgeformt sein.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der Knotenpunkt als Kammer ausgeführt sein.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der Teilkanal TK3 zwischen dem zentralen Knotenpunkt und der dritten Kammer radial innenliegend sein, d. h. so in die Kammer am Knotenpunkt führen, dass die Mündung des Kanals in die Kammer stets über der maximal möglichen Füllhöhe der Kammer liegt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die Mittel zur Druckerzeugung ausgebildet, den Unterdrück und/oder den Überdruck unabhängig von der Rotation zu erzeugen oder zumindest unabhängig von der Rotation zu variieren. Beispielsweise kann durch zusätzlichen Temperatureintrag oder Kälteeintrag der Überdruck bzw. der Unterdrück erzeugt bzw. geregelt werden
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Teilkanal TK1 mit dem zentralen Knotenpunkt ZP derart verbunden, dass der zentrale Knotenpunkt ZP radial gesehen weiter innen liegt als das Flüssigkeitslevel in der ersten Kammer. Somit wird verhindert, dass durch die Rotation alleine ein Pumpvorgang ausgelöst wird oder - anders ausgedrückt - sichergestellt, dass der Pumpvorgang aktiv durch die genannten Mittel zur Druckerzeugung geregelt wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann in der Zwischenstruktur mindestens eine weitere Kammer existieren, die so ausgestaltet ist, dass stets ein Teil der Flüssigkeit, die von der Kammer 1 in diese Kammer fließt, im Verbindungskanal dieser beiden Kammern zurückbleibt.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Kammer 1 über einen weiteren Auslasskanal verfügen, der diese Kammer mit der dritten Kammer verbindet. Dieser Kanal ist radial außen an Kammer 1 positioniert und radial innenliegend an Kammer 3.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Temperatur der Flüssigkeit /des Gases, z. B. in Kammer 1 durch ein Heizelement eingestellt. Entsprechend einem
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX Ausführungsbeispiel kann das Heizelement lokal (nur für die Kammer 1) oder auch global für das gesamte System vorgesehen sein. Das Gleiche gilt selbstverständlich auch für das Kühlelement, das entweder lokal für Kammer 1 oder auch global für das gesamte Fluidik- modul/System vorgesehen ist.
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Claims

Patentansprüche
1. Zentrifugalmikrofluidisches Kartuschenmodul zum Betrieb in einem zentrifugalmikrofluidischen Gerät und/oder Zentrifuge, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Kammer (1 ), die ausgebildet ist, ein Flüssigkeit und/oder Gas aufzunehmen und mittels Mitteln zur Druckerzeugung (14) die Flüssigkeit und/oder das Gas mit einem Unterdrück und/oder Überdruck bezogen auf einen Ausgangsdruck zu beaufschlagen; einer zweiten Kammer (2); einer dritten Kammer (3); und einem Knotenpunkt (ZP), der über ein fluidisches Netzwerk mit der ersten, zweiten und dritten Kammer (1 , 2, 3) verbunden ist, wobei das fluidische Netzwerk einen ersten Teilkanal (TK1 ) aufweist, der den Knotenpunkt (ZP) mit der ersten Kammer (1 ) verbindet, einen zweiten Teilkanal (TK2), der den Knotenpunkt (ZP) mit der zweiten Kammer (2) verbindet, und einen dritten Teilkanal (TK3), der den Knotenpunkt mit der dritten Kammer (3) verbindet; wobei ein zweiter Kanal (K2) die zweite und dritte Kammer (2, 3) miteinander verbindet und in einem radial äußeren Bereich oder am radial äußeren Ende der zweiten Kammer (2) mündet und mindestens einen nach radial innen gerichteten Abschnitt aufweist; wobei der dritte Teilkanal (TK3) einen radial gesehen weiter innen verlaufenden Abschnitt aufweist als der zweite Teilkanal (TK2).
2. Kartuschenmodul nach Anspruch 1 wobei der zweite Teilkanal (TK2) bezogen auf die Flüssigkeit und/oder das Gas einen höheren fluidischen Widerstand aufweist als der zweite Kanal (K2).
3. Kartuschenmodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein Scheitelpunkt des zweiten Kanals (K2) weiter radial außen liegt als der Scheitelpunkt des vom ersten Teilkanal (TK1 ) und zweiten Teilkanal (TK2) gebildeten inversen Siphons) insbe-
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX sondere so dass bei Befüllung des zweiten Kanals (K2) eine kleinere maximale hydrostatische Gegenkraft auf die Flüssigkeit und/oder das Gas wirkt als beim Befüllen des ersten Teilkanals (TK1 ) und/oder des zweiten Teilkanals (TK2).
4. Kartuschenmodul gemäß Anspruch 1 , wobei die Mittel zur Druckerzeugung (14) Mittel zur Temperierung der Flüssigkeit und/oder Gas, insbesondere Heiz- und/oder Kühlmittel aufweisen, die ausgebildet sind, mittels einer Temperaturerhöhung den Überdruck und mittels einer Temperaturreduzierung den Unterdrück zu erzeugen.
5. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Behältnis in der ersten Kammer (1 ) aufgrund einer Beschleunigung oder einer Kombination aus einer Beschleunigung herrührenden hydrostatischen Kraft und Temperaturerhöhung geöffnet wird.
6. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, das eine Steuerung aufweist oder mit einer Steuerung verbunden ist, die ausgebildet ist, einen Pumpvorgang der Flüssigkeit und/oder Gas von der ersten Kammer (1 ) zur zweiten Kammer (2) durch Erhöhung einer Temperatur in der ersten Kammer (1 ) und/oder einer Reduzierung einer Rotationsfrequenz des Kartuschenmoduls zu bewirken; oder die eine Steuerung aufweist oder mit einer Steuerung verbunden ist, die ausgebildet ist, durch eine Temperaturerhöhung und/oder einer Reduzierung einer Rotationsfrequenz des Kartuschenmoduls einen Pumpvorgang der Flüssigkeit und/oder Gas von der ersten Kammer (1 ) in die zweite (2) zu induzieren, wobei der Pumpvorgang dadurch gekennzeichnet ist, dass der Überdruck in der ersten Kammer (1 ) ausreichend groß ist um die Flüssigkeit über den Scheitelpunkt des durch den ersten Teilkanal (TK1 ) und den zweiten Teilkanal (TK2) gebildeten inversen Siphons zu befördern und/oder der Überdruck kleiner als der Druck, der nötig wäre, um die Flüssigkeit über den Scheitelpunkt des durch den ersten Teilkanal (TK1 ) und den zweiten Teilkanal (TK2) gebildeten inversen Siphons zu befördern.
7. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, das eine Steuerung aufweist oder mit einer Steuerung verbunden ist, wobei die Steuerung ausgebildet ist, eine Temperaturreduzierung der Flüssigkeit und/oder Gas in der ersten Kammer (1 ) zu bewirken; oder
Final subs cc II240302PCT-2024063148.DOCX das eine Steuerung aufweist, die ausgebildet ist, eine Temperaturreduzierung der Flüssigkeit und/oder Gas in der ersten Kammer (1 ) zu bewirken, um so einen Unterdrück bezogen auf einen Ausgangsdruck in der ersten Kammer (1 ) entstehen zu lassen, der über den ersten Teilkanal (TK1 ), den zweiten Teilkanal (TK2) und über den ersten Teilkanal (TK1 ), den dritten Teilkanal (TK3) und den zweiten Kanal (K2) auf die Flüssigkeit und/oder Gas in der zweiten Kammer (2) wirkt oder über den ersten Teilkanal (TK1 ), den dritten Teilkanal (TK3) und den zweiten Kanal (K2) auf die Flüssigkeit und/oder Gas in der zweiten Kammer (2) wirkt.
8. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dritte Kammer (3) eine Verbindung zum zweiten Kanal (K2) aufweist, die radial weiter innen angeordnet ist als der maximale Füllstand der dritten Kammer (3).
9. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die dritte Kammer (3) und/oder der zweite Kanal radial weiter außen angeordnet ist als die zweite Kammer (2) und/oder der zweite Teilkanal (TK2).
10. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der radial äußere Punkt der zweiten Kammer (2) radial weiter außen angeordnet ist als eine Mündung von dem zweiten Kanal (2) in die dritte Kammer (3).
1 1 . Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Kammer (2) einen Anschluss zum zweiten Teilkanal (TK2) aufweist, der in einem radial äußeren Bereich oder am äußersten Punkt der zweiten Kammer (2) liegt.
12. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Knotenpunkt durch eine weitere Kammer (4) geformt ist.
13. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Knotenpunkt und der zweiten Kammer (2) eine zusätzliche Kammer vorgesehen ist.
14. Kartuschenmodul gemäß Anspruch 13, wobei der zweite Teilkanal (TK2) ausgebildet ist, beim Transport der Flüssigkeit und/oder Gas von der ersten Kammer (1 ) zu der zweiten Kammer (2) die Flüssigkeit und/oder Gas zurückzuhalten.
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15. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mittel zur Druckerzeugung ausgebildet sind, unabhängig von einer Rotation den Unterdrück und/oder den Überdruck zu erzeugen oder zu variieren.
16. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Knotenpunkt (ZP) und/oder der Scheitelpunkt des durch den ersten Teilkanal (TK1 ) und den zweiten Teilkanal (TK2) gebildeten inversen Siphons radial gesehen weiter innen liegt als die erste Kammer (1 ) oder das radial gesehen am weitesten innen liegende Flüssigkeitslevel in der ersten Kammer (1 ).
17. Kartuschenmodul gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mittel zur Druckerzeugung lokal auf die Flüssigkeit und/oder das Gas in der ersten Kammer wirken oder ein Unterdrück oder Überdruck auf die Flüssigkeit und/oder das Gas in der ersten Kammer in Relation zu der Flüssigkeit und/oder dem Gas in der zweiten Kammer.
18. Verfahren zum Betreiben eines zentrifugalmikrofluidischen Kartuschenmoduls gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit folgenden Schritten:
Anlegen eines Überdrucks zum Befördern einer Flüssigkeit und/oder Gas von der ersten Kammer (1 ) zu der zweiten Kammer (2); und
Anlegen eines Unterdrucks zum Transportieren einer Flüssigkeit und/oder Gas von der zweiten Kammer (2) zu der dritten Kammer (3).
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Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0983504A2 (de) * 1997-05-23 2000-03-08 Gamera Bioscience Corporation Verfahren und vorrichtungen zur benutzung der zentripetalbeschleunigung für die bewegung von flüssigkeiten in einem mikrofluidiksystem
US7951333B2 (en) * 2006-09-05 2011-05-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Centrifugal force-based microfluidic device for protein detection and microfluidic system including the same
DE102013210818B3 (de) * 2013-06-10 2014-05-15 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Fluidhandhabungsvorrichtung und Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit unter Verwendung einer Diffusionsbarriere
DE102013218978B3 (de) * 2013-09-20 2014-11-06 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren, die Rückschlüsse über die Viskosität einer Probe ermöglichen
DE102016207845B4 (de) 2016-05-06 2018-04-12 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Fluidhandhabungsvorrichtung und Verfahren zur Fluidhandhabung
US12291745B2 (en) * 2018-01-30 2025-05-06 Biofire Defense, Llc Methods and systems for validation of a nucleic acid amplification assay
CN110180610B (zh) * 2019-06-19 2021-09-03 深圳市刚竹医疗科技有限公司 试剂顺序加载方法、结构及微流控装置
DE102020210405B4 (de) * 2020-08-14 2022-07-14 SpinDiag GmbH Kartusche für ein rotationsbasiertes und einen einseitigen Wärmeeintrag nutzendes Analyseverfahren, rotationsbasiertes Analyseverfahren und Verwendung einer Kartusche
DE102021208891B3 (de) * 2021-08-13 2022-10-13 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Unterdruckschalten von Flüssigkeit

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