ES2965145T3 - Dispositivo microfluídico y procedimiento para procesar y fraccionar en partes alícuotas un líquido de muestra - Google Patents

Dispositivo microfluídico y procedimiento para procesar y fraccionar en partes alícuotas un líquido de muestra Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un dispositivo microfluídico (100) para procesar y dividir en alícuotas una muestra de líquido (10). El dispositivo microfluídico (100) tiene una cámara divisoria (115) para recibir un volumen inicial del líquido de muestra (10). La cámara divisoria (115) tiene una pluralidad de cavidades (140) para recibir subvolúmenes del líquido de muestra (10), pudiendo utilizarse dichos subvolúmenes para reacciones analíticas. El dispositivo microfluídico (100) también tiene una red microfluídica para usar la cámara divisoria (115) de manera mecánica de fluidos y un dispositivo de bomba (121) para bombear fluidos (10, 20) dentro del dispositivo (100). El al menos un dispositivo de bomba (121) y la red de microfluidos están diseñados para bombear el líquido de muestra (10), como primera fase, y un líquido de sellado (20), como segunda fase, a través de la red de microfluidos y hacia el divisor. cámara (115) para sellar los subvolúmenes del líquido de muestra (10) en las cavidades (140) por medio del líquido sellador (20). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo microfluídico y procedimiento para procesar y fraccionar en partes alícuotas un líquido de muestra La presente invención hace referencia a un dispositivo o a un procedimiento según el género de las reivindicaciones independientes.
Los sistemas de análisis microfluídicos, los así llamados laboratorios en un chip, o abreviado LOC, en particular permiten un procesamiento automatizado, fiable, rápido, compacto y conveniente en cuanto a los costes, de muestras de pacientes para el diagnóstico médico. Mediante una combinación de una pluralidad de operaciones para una manipulación controlada de fluidos, en un cartucho de un laboratorio en un chip pueden realizarse procedimientos de prueba complejos de diagnóstico molecular. Una operación importante consiste en la fracción en partes alícuotas de un volumen de líquido, que constituye la base para un procesamiento de muestras altamente paralelizado, así como para análisis de muestras de diagnóstico molecular con un grado de multiplexación elevado. Por ejemplo, en alícuotas individuales del líquido pueden realizarse reacciones en cadena de polimerasa, independientes unas de otras, que permiten una amplificación de secuencias base del ácido desoxirribonucleico específicas y, con ello, una detección de diagnóstico molecular de alta sensibilidad.
Las técnicas ya establecidas para una fracción en partes alícuotas de un líquido de muestra en un dispositivo microfluídico, por ejemplo, de manera adicional con respecto a la colocación de la muestra en el dispositivo, pueden presentar otras etapas que deben realizarse manualmente, que no son accesibles de manera sencilla para una automatización y/o que eventualmente en particular no pueden ofrecer un ambiente microfluídico o una asociación a un ambiente microfluídico, que permitiría un procesamiento previo automatizado de la muestra antes de la fracción en partes alícuotas, por ejemplo un tratamiento de la muestra para la extracción de ácidos desoxirribonucleicos desde la muestra, dentro del dispositivo microfluídico. Las técnicas existentes para la fracción en partes alícuotas de un líquido de muestra dentro de un ambiente microfluídico, por ejemplo, pueden basarse en una evacuación de las cavidades o compartimentos, o en una centrifugación del dispositivo, en la cual la fuerza centrífuga está orientada a lo largo de una abertura de afluencia de los compartimentos. En el caso de una fracción en partes alícuotas de esa clase, que funciona de forma centrífuga, sin embargo, una densidad que puede alcanzarse en los compartimentos dentro del plano de rotación puede ser relativamente reducida debido a los canales de fluido requeridos para ello dentro del plano de rotación, que son necesarios para el llenado de los compartimentos.
En la solicitud US 2016/0096172 A1 se describen procedimientos y dispositivos para la discretización y la manipulación de volúmenes de muestras. La solicitud US 2016/0354777 A1 hace referencia a dispositivos, sistemas, aparatos y procedimientos para la discretización y la manipulación de volúmenes de muestras. En la solicitud US 2015/0204785 A1 se muestra un detector y un procedimiento de detección para detectar una muestra biológica. En la solicitud US 2007/0275415 A1 se describen pruebas de afinidad basadas en gotas pequeñas, donde también se proporciona un procedimiento para detectar un analito diana en una muestra.
Por ese motivo, se considerarían deseables un dispositivo y un procedimiento que permitan una fracción en partes alícuotas automatizada, de un líquido en un cartucho de un laboratorio en un chip, mediante la utilización de una estructura de fracción en partes alícuotas, por ejemplo una disposición de cavidades, donde en particular, de manera adicional, sea posible un procesamiento automatizado de la muestra antes de la fracción en partes alícuotas del dispositivo microfluídico. Además, sería deseable que el dispositivo y el procedimiento posibiliten una eficiencia de transferencia elevada del líquido de muestra, desde la red microfluídica hacia las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas, para poder lograr un procesamiento del líquido de muestra con la menor cantidad de pérdidas posible. También se considerarían deseables un dispositivo microfluídico y un procedimiento que no requieran una evacuación de los compartimentos ni una centrifugación de esa clase para la fracción en partes alícuotas automatizada de un líquido de muestra.
Descripción de la invención
Considerando estos antecedentes, con el principio aquí presentado, se presentan un dispositivo, un procedimiento, un dispositivo de control que utiliza ese procedimiento, así como un sistema según las reivindicaciones principales. Mediante las medidas indicadas en las reivindicaciones dependientes son posibles perfeccionamientos ventajosos y mejoras del dispositivo indicado en la reivindicación independiente.
Según formas de ejecución, en particular pueden proporcionarse un dispositivo microfluídico y un procedimiento que permitan una fracción en partes alícuotas automatizada de un líquido, en particular de un líquido de muestra, en una estructura de fracción en partes alícuotas, en particular en una estructura de disposición de cavidades. Según formas de ejecución, por ejemplo, pueden proporcionarse un dispositivo con una estructura de fracción en partes alícuotas que está asociada a una red microfluídica, y un procedimiento en el cual, adicionalmente con respecto a una fracción en partes alícuotas automatizada del líquido, también pueda tener lugar un procesamiento automatizado del líquido que debe fraccionarse en partes alícuotas, antes de la fracción en partes alícuotas, en la red microfluídica. En particular, según formas de ejecución, también una unión microfluídica adecuada de la estructura de disposición de cavidades puede proporcionarse en una red microfluídica que puede posibilitar una estabilización capilar, y de forma adicional o alternativa, causada por diferencias de presión de los líquidos utilizados, de superficies límite de fases de los líquidos utilizados, durante una transferencia de líquidos hacia la cámara con la estructura de fracción en partes alícuotas, para de ese modo lograr un llenado fiable y un sellado de todas las cavidades, así como una eficiencia de transferencia elevada.
De manera ventajosa, según formas de ejecución, adicionalmente con respecto al procesamiento de un volumen reducido de un líquido de muestra como primera fase, en una red microfluídica, y con respecto a un transporte del líquido de muestra para formar la estructura de fracción en partes alícuotas, la estructura de fracción en partes alícuotas primero puede ponerse en contacto con el líquido de muestra y a continuación con un líquido de sellado, como segunda fase. De ese modo, en particular puede evitarse que antes del líquido de muestra otro líquido entre en contacto con la estructura de fracción en partes alícuotas. Esto es ventajoso, ya que así puede evitarse la necesidad de un desplazamiento de otro líquido, en particular de líquido de transporte, desde las cavidades o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas, mediante el líquido de muestra. Además, una introducción inicial del líquido de muestra en las cavidades o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas y un sellado lo más directo posible de las cavidades llenadas con el líquido de muestra, o compartimentos con el líquido de sellado, puede posibilitar un almacenamiento previo de reactivos en las cavidades o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas, en particular de sustancias secadas que pueden disolverse en el líquido de muestra, sin que los reactivos puedan ponerse en contacto previamente con otra fase líquida, distinta del líquido de muestra. Con ello, según formas de ejecución, inmediatamente después del llenado de una cavidad o de un compartimento con el líquido de muestra, como primera fase, puede realizarse pronto un sellado de la cavidad llenada con el líquido de sellado, como segunda fase. Mediante un sellado lo más rápido posible de una cavidad llenada con líquido de muestra puede reducirse a un mínimo un arrastre de sustancias que se encuentran presentes en una cavidad, hacia otras cavidades, en particular contiguas, de la estructura de fracción en partes alícuotas.
Mediante un llenado lento, casi estático, de la cámara de fracción con la estructura de fracción en partes alícuotas, las fuerzas capilares que se presentan en las cavidades o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas eventualmente pueden aprovecharse para alcanzar una orientación adecuada de la superficie límite microfluídica o superficies límite en las cavidades o compartimentos durante la propagación por la cámara de fracción. Debido a la presencia de un sistema multifase estable, que se propaga de forma controlada, dentro de la cámara de fracción con la estructura de fracción en partes alícuotas, puede realizarse una fracción en partes alícuotas del líquido de muestra, aun cuando sólo se encuentre presente una cantidad reducida de líquido de muestra. De forma inversa, ya una cantidad reducida de líquido de muestra puede ser suficiente para llenar las cavidades o los compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas con el líquido de muestra. Por tanto, puede alcanzarse una eficiencia de transferencia elevada. Una eficiencia de transferencia elevada, por su parte, puede posibilitar una sensibilidad elevada de análisis del líquido de muestra, por ejemplo de diagnóstico molecular. Se presenta un dispositivo microfluídico para procesar y fraccionar en partes alícuotas un líquido de muestra, donde el dispositivo microfluídico presenta las siguientes características:
una cámara de fracción para recibir un volumen de entrada del líquido de muestra, donde la cámara de fracción presenta una pluralidad de cavidades
para recibir volúmenes parciales del líquido de muestra que pueden utilizarse para reacciones de detección, una red microfluídica para la apertura fluido-mecánica de la cámara de fracción, donde la red microfluídica presenta al menos un canal de entrada y un canal de evacuación conectado de forma fluido-mecánica a la cámara de fracción; y
al menos un dispositivo de bombeo para transportar fluidos dentro del dispositivo, donde al menos un dispositivo de bombeo y la red microfluídica están diseñados para transportar el líquido de muestra, como una primera fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción, para disponer volúmenes parciales del líquido de muestra en las cavidades, y para transportar un líquido de sellado, como una segunda fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción, para sellar los volúmenes parciales del líquido de muestra en las cavidades con el líquido de sellado.
El dispositivo microfluídico al menos puede formar parte de un laboratorio en un chip o laboratorio de chip para el diagnóstico médico, el diagnóstico microbiológico o la química analítica del medio ambiente. Puede denominarse como líquido de muestra un líquido que debe analizarse, habitualmente una muestra líquida o licuada de un paciente, por ejemplo sangre, orina, heces, esputo, líquido cefalorraquídeo, lavado, un frotis aclarado o una muestra de tejido licuada, o una muestra de un material no humano. El volumen de entrada del líquido de muestra puede corresponder a un volumen del líquido de muestra introducido en la cámara de fracción. En las cavidades, los volúmenes parciales del líquido de muestra pueden agregarse o aislarse. Por una fracción en partes alícuotas puede entenderse una subdivisión de grandes volúmenes de líquido en volúmenes reducidos y su inclusión en cámaras de reacción o cavidades individuales. El líquido de muestra puede fraccionarse en secciones de volumen del mismo tamaño o de distinto tamaño, volúmenes parciales o cavidades. Según la invención, la pluralidad de cavidades representa una estructura de fracción en partes alícuotas. Las dos fases no pueden mezclarse entre sí o sólo pueden hacerlo de forma mínima.
Según la invención están proporcionados al menos una bifurcación del canal, del canal de entrada, hacia un canal de descarga, y un canal de suministro conectado de forma fluido-mecánica a la cámara de fracción, y adicionalmente al menos una válvula para influir en un flujo de fluido en el área de la bifurcación del canal. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que puede alcanzarse una conducción de fluido sencilla y fiable, y en particular al utilizar un líquido de transporte éste puede descargarse de forma sencilla y precisa.
Además, el dispositivo microfluídico puede presentar el líquido de muestra y el líquido de sellado. Según la invención, el dispositivo está conformado para almacenar previamente el líquido de muestra y el líquido de sellado por fuera de la cámara de fracción. Para ello, el dispositivo puede presentar al menos una cámara para el almacenamiento previo o para poner a disposición el líquido de muestra y el líquido de sellado.
Según una forma de ejecución, el dispositivo también puede presentar un dispositivo de templado para templar los volúmenes parciales del líquido de muestra dispuestos en las cavidades. De manera adicional o alternativa, el dispositivo puede presentar un dispositivo de detección para la detección óptica de al menos una propiedad de los volúmenes parciales del líquido de muestra dispuestos en las cavidades. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que puede posibilitarse un procesamiento integrado y, de forma adicional o alternativa, una evaluación fiable para el análisis del líquido de muestra en las cavidades.
También el canal de suministro puede estar ramificado en al menos dos canales parciales que desembocan en la cámara de fracción. De manera alternativa o adicional, en este caso, en un área de desembocadura de los canales parciales hacia la cámara de fracción puede reducirse al menos una dimensión de una sección transversal del canal de fluido. Mediante una ramificación del canal de suministro hacia la cámara de fracción o la cámara con la estructura de fracción en partes alícuotas puede alcanzarse un perfil de flujo especialmente homogéneo en el espacio, en la cámara de fracción. Mediante un flujo espacialmente homogéneo, en combinación con una forma adecuada de la cámara de fracción puede alcanzarse una humidificación completa de la estructura de fracción en partes alícuotas, en donde cada área de la estructura de fracción en partes alícuotas puede ponerse en contacto primero con el líquido de muestra y a continuación con el líquido de sellado, de manera que puede alcanzarse una funcionalidad microfluídica deseada. Del mismo modo, mediante una humidificación espacialmente homogénea de la cámara puede alcanzarse una eficiencia particularmente elevada en la transferencia de líquido de muestra, desde la red microfluídica hacia los compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas, puesto que ya es suficiente con una cantidad reducida de líquido de muestra para humedecer todas las áreas de la estructura de fracción en partes alícuotas.
Mediante la utilización de una estructura de ramificación de canales microfluídicos con una superficie reducida de la sección transversal, además, puede alcanzarse una estabilización capilar de las superficies límite del sistema multifase durante el ensanchamiento del flujo microfluídico, antes de la introducción en la cámara de fracción. Esto ayuda a que las superficies límite del sistema multifase se introduzcan en la cámara de fracción del modo más homogéneo posible en el espacio, sobre toda la anchura de la estructura de fracción en partes alícuotas. Según la invención, mediante una reducción de las dimensiones espaciales de las estructuras con conducción de líquido, en la transición hacia la cámara de fracción, en particular inmediatamente antes de la estructura de fracción en partes alícuotas, por ejemplo en la transición de los canales de la estructura de ramificación hacia la cámara de fracción, y mediante una variación de la presión capilar, asociada a ello, así como mediante una fuerza de fijación que posiblemente se produce aquí, se logra una orientación adecuada de superficies límite de dos fases, en particular de la superficie límite de dos fases entre el aire y el líquido de muestra, antes de que pasen por la estructura de fracción en partes alícuotas.
Además, las cavidades pueden estar conformadas en un chip que está dispuesto en la cámara de fracción. De este modo, en un área de transición hacia el chip en la cámara de fracción puede reducirse al menos una dimensión de un área con conducción de fluido de la cámara de fracción. De ese modo puede beneficiarse una orientación favorecida de forma capilar de un menisco de líquido a lo largo de toda la anchura del chip, antes de que el líquido humedezca un lado superior del chip con las cavidades. Una variación espacialmente homogénea de la presión capilar y la resistencia fluídica a lo largo de toda la anchura del chip favorece además la conformación de un perfil de flujo homogéneo en la cámara de fracción.
Además, el dispositivo puede presentar al menos una membrana elástica que puede desviarse hacia al menos una cámara de bombeo para realizar la función de al menos un dispositivo de bombeo, y de forma adicional o alternativa que puede desviarse hacia al menos una cámara de válvula para realizar la función de al menos una válvula. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que un flujo de fluido puede controlarse de forma sencilla y fiable.
Según una forma de ejecución, el dispositivo puede presentar una pluralidad de dispositivos de bombeo. En este caso, los dispositivos de bombeo pueden estar diseñados para transportar fluido en la red microfluídica con distintas velocidades de flujo. De manera adicional o alternativa, los dispositivos de bombeo pueden estar diseñados para transportar distintos volúmenes de fluido por ciclo de bombeo. De manera adicional o alternativa, los dispositivos de bombeo pueden actuar como una unidad de bombeo peristáltica. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que una velocidad de flujo definida puede regularse de forma exacta.
En particular mediante la utilización de un dispositivo de bombeo peristáltico puede producirse una tasa de flujo reducida, predeterminada, para el llenado de las cavidades o compartimentos en la estructura de fracción en partes alícuotas. Debido a esto puede evitarse que se presenten efectos dinámicos no deseados, por ejemplo causados por fuerzas de inercia, como por ejemplo la inclusión de burbujas de aire en las cavidades. Mediante una combinación de varios dispositivos de bombeo con distintos volúmenes de bombeo, y de forma adicional o alternativa, debido a una variación de la frecuencia de bombeo, pueden generarse distintas tasas de flujo en el dispositivo. Mediante la utilización de una tasa de flujo reducida, por ejemplo, en particular al llenar las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas con el líquido de muestra, pueden evitarse efectos dinámicos que podrían influir de manera desventajosa en el llenado de las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas. Mediante la utilización de una tasa de flujo más elevada, en particular durante el sellado de las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas con el líquido de sellado, puede tener lugar un sellado lo más rápido posible de los compartimentos, por ejemplo para mantener lo más reducido posible un intercambio de sustancias no deseado entre cavidades contiguas. Además, mediante la utilización de un dispositivo de bombeo peristáltico con volúmenes de bombeo reducidos puede alcanzarse un transporte particularmente estable y definido del sistema multifase, mediante la red microfluídica. La estabilidad del sistema multifase al atravesar el dispositivo de bombeo en particular puede lograrse mediante una superficie reducida de la sección transversal de las cámaras de bombeo peristálticas y las fuerzas capilares dominantes. Una definición precisa del volumen de líquido transportado de forma absoluta resulta igualmente debido al volumen de bombeo reducido del dispositivo de bombeo peristáltico. El transporte puede tener lugar en este caso en múltiplos enteros del producto del volumen de bombeo y la eficiencia de bombeo.
El dispositivo también puede presentar otra cámara que esté conectada de forma fluido-mecánica paralelamente con respecto a por lo menos un canal de entrada y que esté conectada de forma fluido-mecánica a un canal de ventilación, y otro dispositivo de templado para templar fluido dispuesto en la otra cámara. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que puede alcanzarse una desgasificación sencilla y fiable de líquidos, aquí del líquido de sellado y opcionalmente, de manera adicional, del líquido de muestra, para aumentar la precisión del análisis.
Se presenta también un procedimiento para operar una forma de ejecución del dispositivo microfluídico antes mencionado, donde el procedimiento presenta las siguientes etapas:
introducción del líquido de muestra en el dispositivo; y
provocación de un transporte del líquido de muestra como primera fase y del líquido de sellado como segunda fase a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción, para disponer volúmenes parciales del líquido de muestra en las cavidades y sellarlas con el líquido de sellado.
Este procedimiento, por ejemplo, puede estar implementado en software o hardware o en una forma mixta de software y hardware, por ejemplo en un dispositivo de control. Entre la etapa de la introducción y la etapa de la provocación, el procedimiento puede presentar una etapa de la entrada del dispositivo en un sistema microfluídico o una unidad de procesamiento, para el control de un flujo microfluídico dentro del dispositivo.
Según una forma de ejecución, la etapa de la provocación de un transporte puede presentar una subetapa de la producción de un sistema multifase formado por el líquido de muestra, como primera fase, y por al menos otra fase, que presenta el líquido de sellado, y de forma adicional o alternativa una unidad de transporte, en la red microfluídica. Además, la etapa de la provocación de un transporte puede presentar una subetapa del transporte del sistema multifase mediante al menos un dispositivo de bombeo, mediante el canal de entrada hacia la bifurcación del canal. En este caso, al menos una válvula puede controlarse de manera que un líquido de transporte, que opcionalmente se encuentra presente en el sistema multifase, se descargue mediante el canal de descarga. Además, la etapa de la provocación de un transporte puede presentar una subetapa de la introducción del líquido de muestra, seguido del líquido de sellado, mediante el canal de suministro, hacia la cámara de fracción. De este modo, en la subetapa de la introducción, después de un pasaje por la bifurcación del canal, mediante una superficie límite entre el líquido de muestra y el líquido de transporte que opcionalmente se encuentra presente, puede controlarse al menos una válvula. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que puede lograrse una fracción en partes alícuotas precisa, con pocas pérdidas o sin pérdidas, y fiable.
En este caso, mediante la bifurcación del canal que se encuentra antes de la estructura de fracción en partes alícuotas, con válvulas microfluídicas para controlar el flujo, el líquido de muestra puede estar presente primero incorporado en contacto directo con el líquido de sellado y opcionalmente, de manera adicional, con un líquido de transporte, como segunda fase, donde eventualmente líquido de transporte y el líquido de sellado pueden estar realizados mediante el mismo líquido. Debido a esto primero puede posibilitarse un transporte libre de volumen muerto del líquido de muestra hacia la estructura de fracción en partes alícuotas en el sistema microfluídico. A continuación, mediante una modificación de una posición de las válvulas dispuestas antes de la cámara de fracción puede introducirse en la cámara de fracción primero el líquido de muestra y después otro líquido, en particular el líquido de sellado que se utiliza para sellar las cavidades llenadas con el líquido de muestra. En particular, de ese modo puede impedirse que el líquido de transporte, de forma no deseada, penetre en las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas y las llene, antes de que el líquido de muestra alcance las cavidades. Mediante la utilización de un líquido de transporte como tercera fase para el transporte del líquido de muestra como primera fase para la estructura de fracción en partes alícuotas, puede tener lugar un transporte libre de volumen muerto del líquido de muestra. De ese modo, también pueden procesarse volúmenes reducidos en el líquido de muestra en la red microfluídica y en la estructura de fracción en partes alícuotas. Además, de ese modo, evitando volúmenes muertos, puede alcanzarse una eficiencia aumentada de la transferencia de líquido de muestra desde la red microfluídica hacia las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas. Además, mediante la utilización de un líquido de transporte y de una incorporación del líquido de muestra como primera fase, por ejemplo una mezcla maestra para una reacción en cadena de polimerasa, que contiene material de muestra limpio, así como el líquido de sellado, como segunda fase, por ejemplo un hidrocarburo fluorinizado, en el líquido de transporte, como tercera fase, por ejemplo aceite de silicona o un aceite mineral, puede reducirse una cantidad requerida de líquido de sellado, ya que el mismo igualmente puede transportarse libre de volumen muerto hacia la estructura de fracción en partes alícuotas, así como hacia las cavidades en la cámara de fracción.
El procedimiento también puede presentar una etapa del templado de los volúmenes parciales del líquido de muestra dispuestos en las cavidades. De manera opcional, adicionalmente, la etapa del templado puede realizarse repetida de forma cíclica. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que puede realizarse un procesamiento sencillo del líquido de muestra, en particular también un así llamado termociclado.
Además, el procedimiento puede presentar una etapa de la detección óptica de al menos una propiedad de los volúmenes parciales del líquido de muestra dispuestos en las cavidades. Al menos una propiedad del líquido de muestra puede detectarse mediante fluorescencia óptica. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que el análisis del líquido de muestra fraccionado en partes alícuotas puede hacerse reaccionar de forma exacta y sencilla.
Además, el procedimiento puede presentar una etapa de la desgasificación térmica del líquido de muestra, y de forma adicional o alternativa del líquido de sellado en otra cámara que está conectada de forma fluido-mecánica paralelamente con respecto a por lo menos un canal de entrada y que está conectada de forma fluido-mecánica a un canal de ventilación. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que puede aumentarse una precisión del análisis del líquido de muestra, puesto que en un procesamiento térmico del líquido de muestra ya no pueden producirse burbujas de gas perjudiciales.
El procedimiento también puede presentar una etapa del desplazamiento del líquido de sellado que sella los volúmenes parciales del líquido de muestra dispuestos en las cavidades, mediante líquido de sellado desgasificado en la etapa de la desgasificación térmica. Una forma de ejecución de esa clase ofrece la ventaja de que el análisis del líquido de muestra puede efectuarse de forma especialmente fiable y precisa, ya que en un procesamiento térmico de los volúmenes parciales sellados del líquido de muestra puede evitarse la formación de burbujas de gas.
Además, mediante una orientación adecuada del dispositivo con respecto a un campo gravitatorio y mediante la utilización de un líquido de sellado con una viscosidad reducida puede lograrse una disipación de burbujas de gas que se forman, debido a la fuerza ascensional que se presenta. Las burbujas de gas de esa clase, por ejemplo, pueden formarse durante el templado de un líquido que debe procesarse, en función de una disminución de la solubilidad del gas con una temperatura que aumenta en el líquido. Mediante una disipación eficiente de burbujas de gas en particular puede impedirse que líquido de muestra, desde las cavidades, se evapore en burbujas de gas adyacentes a las cavidades, perdiéndose de ese modo. Además, puede impedirse que las burbujas de gas influyan en una medición óptica en el líquido de muestra encerrado en las cavidades, por ejemplo mediante una refracción óptica de la luz en la superficie límite del gas-líquido.
También mediante una orientación adecuada del dispositivo con respecto a un campo gravitatorio, así como mediante una selección adecuada del líquido de sellado, en particular mediante la utilización de un líquido de sellado con una densidad mayor que la densidad del líquido de muestra, la fuerza gravitacional que actúa sobre ambos líquidos puede aprovecharse para alcanzar una propagación espacialmente homogénea de la superficie límite de dos fases, por la cámara de fracción, debido a la diferencia de presión de los líquidos que se encuentra presente. En particular esto es ventajoso cuando al menos una dimensión espacial de la cámara de fracción supera la escala de calibre, hasta que las fuerzas capilares sean dominantes.
Con el enfoque aquí presentado se crea además un dispositivo de control que está diseñado para realizar, controlar o implementar las etapas de una variante de un procedimiento aquí presentado, en dispositivos correspondientes. También mediante esa variante de ejecución de la invención en forma de un dispositivo de control, el objeto que se toma de base para la invención puede solucionarse de forma rápida y eficiente.
Para ello, el dispositivo de control puede presentar al menos una unidad informática para procesar señales o datos, al menos una unidad de almacenamiento para almacenar señales o datos, al menos una interfaz hacia un sensor o hacia un actuador para leer señales de sensor desde el sensor o para emitir señales de control hacia el actuador y/o hacia al menos una interfaz de comunicaciones para leer o emitir datos, que están incorporados en un protocolo de comunicaciones. La unidad informática por ejemplo puede ser un procesador de señales, un microcontrolador o similares, donde la unidad de almacenamiento puede ser una memoria Flash, un EEPROM o una unidad de almacenamiento magnética. La interfaz de comunicaciones puede estar diseñada para leer o emitir datos de forma inalámbrica y/o mediante cables, donde una interfaz de comunicaciones que puede leer o emitir datos mediante cables puede leer esos datos por ejemplo de forma eléctrica u óptica desde una línea de transmisión de datos correspondiente o puede emitirlos hacia una línea de transmisión de datos correspondiente.
Por un dispositivo de control puede entenderse aquí un dispositivo eléctrico que procesa señales de sensor y que en función de ello emite señales de control y/o de datos. El dispositivo de control puede presentar una interfaz que puede estar diseñada conforme al hardware y/o al software. En un diseño conforme al hardware, las interfaces por ejemplo pueden formar parte de un así llamado sistema ASIC que contiene las más diversas funciones del dispositivo de control. No obstante, también es posible que las interfaces sean circuitos de conmutación propios, integrados, o que al menos parcialmente se compongan de módulos discretos. En un diseño conforme al software, las interfaces pueden ser módulos de software, que por ejemplo se encuentran presentes en un microcontrolador, junto con otros módulos de software.
Se presenta además un sistema microfluídico para realizar un análisis de un líquido de muestra, donde el sistema presenta las siguientes características:
una forma de ejecución del dispositivo microfluídico antes mencionado; y
una forma de ejecución del dispositivo de control antes mencionado, donde el dispositivo microfluídico está conectado al dispositivo de control de modo que puede ser operado.
El dispositivo de control puede formar parte de una unidad de procesamiento para controlar el flujo microfluídico dentro del dispositivo. El dispositivo microfluídico puede estar conectado al dispositivo de control de forma mecánica, fluídica, neumática, óptica y/o magnética. El sistema microfluídico puede tratarse de un así llamado sistema de laboratorio en un chip. El dispositivo por ejemplo puede estar realizado como un cartucho para el sistema.
En una configuración ventajosa, mediante el dispositivo de control tiene lugar un control de un flujo microfluídico dentro del dispositivo. La activación tiene lugar mediante actuadores neumáticos, hidráulicos, mecánicos, eléctricos y de forma adicional o alternativa magnéticos, como bombas, válvulas, membranas elásticas, imanes y similares, mediante interfaces adecuadas.
También se considera ventajoso un producto de programa informático o un programa informático con código de programa que puede estar almacenado en un soporte legible por máquina o un medio de memoria, como una memoria de semiconductores, una memoria de disco fijo o una memoria óptica, y que se utiliza para realizar, implementar y/o iniciar las etapas del procedimiento según una de las formas de ejecución antes descritas, en particular cuando el producto de programa o el programa se ejecuta en un ordenador o un dispositivo.
Con ello, según formas de ejecución, en particular pueden proporcionarse un dispositivo microfluídico y un procedimiento que posibiliten una fracción en partes alícuotas automatizada de un líquido de muestra, en una estructura de fracción en partes alícuotas proporcionada para ello, por ejemplo en una estructura de disposición de cavidades. En particular, el dispositivo puede estar realizado de manera que la estructura de fracción en partes alícuotas pueda estar asociada a una red microfluídica, en donde pueda tener lugar un procesamiento automatizado del líquido de muestra, en particular de un volumen reducido de líquido de muestra, mediante la utilización de un líquido de transporte, por ejemplo antes de la fracción en partes alícuotas del líquido de muestra. Además, el dispositivo puede presentar una unión microfluídica de la estructura de fracción en partes alícuotas a la red microfluídica, que provoca tanto una estabilización capilar de las superficies límite de fases, y de forma adicional o alternativa en función de diferencias de presión, al pasar los líquidos hacia la cámara de fracción o la cámara con la estructura de fracción en partes alícuotas, para lograr un llenado espacialmente homogéneo y un sellado de las cavidades o de todas las cavidades, como también una eficiencia de transferencia elevada del líquido de muestra hacia las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas. El procedimiento para operar o para la utilización básica del dispositivo en particular puede realizarse de manera que, por una parte, el mismo posibilite el transporte libre de volumen muerto de un volumen reducido del líquido de muestra, que debe fraccionarse en partes alícuotas, en una red microfluídica, mediante la utilización de un líquido de transporte y, por otra parte, que posibilite un llenado de la estructura de fracción en partes alícuotas primero con el líquido de muestra y a continuación con un líquido de sellado, donde el mismo en particular puede tratarse de un líquido distinto del líquido de transporte.
Según la invención, el líquido de muestra y el líquido de sellado, ya durante el transporte hacia la estructura de fracción en partes alícuotas y durante el llenado de las cavidades con el líquido de muestra, presentan una superficie límite en común para posibilitar un sellado directo de las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas, llenadas con el líquido de muestra, con el líquido de sellado. En particular, de manera adicional, el dispositivo puede posibilitar un templado eficiente del líquido de muestra que se encuentra presente en las cavidades, una detección óptica con resolución espacial de una señal fluorescente que partes desde el líquido de muestra, un almacenamiento previo de reactivos en las cavidades de la estructura de fracción en partes alícuotas y una disipación de burbujas de gas que se forman, en particular durante el templado. En particular, el dispositivo puede estar orientado de forma adecuada con respecto a un campo gravitatorio para, por una parte, lograr una disipación de burbujas de gas que se forman debido a la fuerza ascensional que se encuentra presente y, por otra parte, para producir una estabilización espacial de la superficie límite de dos fases, en particular entre el líquido de muestra y la superficie límite de sellado, en particular durante la propagación por la cámara de fracción, debido a una diferencia de presión que se encuentra presente.
Expresado de otro modo, según la invención pueden proporcionarse un dispositivo microfluídico y un procedimiento para el procesamiento automatizado y completamente automatizado y la fracción en partes alícuotas de un líquido de muestra, donde el líquido de muestra, después de un procedimiento en el dispositivo, mediante la ayuda de al menos otra fase que no puede mezclarse con el líquido de muestra, puede transportarse hacia una estructura de fracción en partes alícuotas, en particular sin pérdidas, donde puede estar proporcionada una unión microfluídica de la estructura de fracción en partes alícuotas a la red microfluídica, en una configuración que puede conseguir una estabilización de las superficie límite de fase durante el pasaje de los líquidos hacia la fracción, así como durante la propagación por la cámara de fracción, causada por fuerzas capilares, en particular en el área de una ramificación, un borde del chip o similares, y/o mediante una diferencia de presión de los líquidos, por ejemplo durante el llenado desde abajo y la inclinación del dispositivo, y/o mediante una variación de la resistencia fluídica, en particular mediante una disminución del canal detrás de la ramificación o mediante una disminución del canal en el borde del chip, para alcanzar un llenado fiable y un sellado de todas las cavidades, y una eficiencia de transferencia elevada, donde el líquido de muestra, y de forma adicional o alternativa el líquido de sellado, pueden desgasificarse en el dispositivo para impedir o reducir una formación de burbujas de gas en el caso de un termociclado en la estructura de fracción en partes alícuotas.
En los dibujos se representan ejemplos de ejecución del principio aquí presentado y se explican en detalle en la siguiente descripción. Muestran:
Figura 1 una representación esquemática de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución; Figura 2A una representación esquemática de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución;
Figura 2B una representación esquemática de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución;
Figura 2C una representación esquemática de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución;
Figura 3 una representación esquemática de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución; Figura 4 una representación esquemática de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución; Figura 5A una representación esquemática de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución;
Figura 5B una representación esquemática de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución;
Figura 5C una representación esquemática de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución;
Figura 6 una representación esquemática de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución; Figura 7 un diagrama de operaciones de un procedimiento operativo, según un ejemplo de ejecución.
En la siguiente descripción de ejemplos de ejecución convenientes de la presente invención, para los elementos representados en las distintas figuras y que actúan de forma similar se utilizan símbolos de referencia idénticos o similares, donde se prescinde de una descripción repetida de esos elementos.
La figura 1 muestra una representación esquemática de un dispositivo microfluídico 100 según un ejemplo de ejecución, en particular una representación esquemática de una sección transversal de un dispositivo microfluídico 100 según un ejemplo de ejecución. Una red microfluídica, mediante al menos un canal de entrada 111, al menos un dispositivo de bombeo 121, así como al menos una bifurcación del canal 114, del canal de entrada 111, hacia un canal de descarga 112, así como un canal de suministro 113 y al menos dos válvulas 131, 132 o, como sustitución, una válvula de múltiples vías para controlar el flujo microfluídico en la bifurcación 114, está conectada a una cámara central o cámara de fracción 115.
La cámara de fracción 115 en particular presenta una pluralidad de cavidades, escotaduras o compartimentos 140 que pueden llenarse con un líquido de muestra 10 como primera fase y que pueden recubrirse con un líquido de sellado 20 como segunda fase, de manera que el líquido de muestra 10 permanece en las cavidades 140, al menos de forma parcial. De ese modo se alcanza una fracción en partes alícuotas microfluídica del líquido de muestra 10. Además, la cámara de fracción 115, adicionalmente con respecto a una unión al canal de suministro 113, presenta también una unión a un canal de evacuación 116.
Expresado de otro modo, el dispositivo microfluídico 100 para el procesamiento y la fracción en partes alícuotas del líquido de muestra 10, de este modo, presenta la cámara de fracción 115 para recibir un volumen de entrada del líquido de muestra 10. La cámara de fracción 115 presenta una pluralidad de cavidades 140 para recibir volúmenes parciales del líquido de muestra 10 que pueden utilizarse para reacciones de detección. Además, el dispositivo 100 presenta una red microfluídica para la apertura fluido-mecánica de la cámara de fracción 115. La red microfluídica presenta al menos un canal de entrada 111 con al menos una bifurcación del canal 114 hacia un canal de descarga 112 y un canal de suministro 113 conectado de forma fluido-mecánica a la cámara de fracción 115, al menos una válvula 131, 132 para influir en un flujo de fluido en el área de la bifurcación del canal 114 y un canal de evacuación 116 conectado de forma fluido-mecánica a la cámara de fracción 115. Además, el dispositivo 100 presenta al menos un dispositivo de bombeo 121 para transportar fluidos dentro del dispositivo 100. Al menos un dispositivo de bombeo 121 y la red microfluídica están diseñados para transportar el líquido de muestra 10, como una primera fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción 115, para disponer volúmenes parciales del líquido de muestra 10 en las cavidades 140, y para transportar un líquido de sellado 20, como una segunda fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción 115, para sellar los volúmenes parciales del líquido de muestra 10 en las cavidades 140 con el líquido de sellado 20.
En el ejemplo de ejecución representado esquemáticamente en la figura 1, el dispositivo 100 adicionalmente presenta al menos una interfaz térmica, así como una interfaz de intercambio de calor o un dispositivo de templado 201 en el área de la cámara de fracción 115 y en particular de las cavidades 140, así como una interfaz óptica o un dispositivo de detección 301, en particular en el área de las cavidades 140. El dispositivo de templado 201 puede utilizarse en particular para un templado de la primera fase o líquido de muestra 10 encerrado en las cavidades 140. El dispositivo de detección 301 en particular puede utilizarse para la lectura óptica de una señal fluorescente que en particular parte del líquido de muestra 10 encerrado en las cavidades 140. Además, el dispositivo 100, en el ejemplo de ejecución mostrado en la figura 1, durante el procesamiento, se orienta de forma adecuada con respecto a un campo gravitatorio g o, sin embargo, se hace rotar, de manera que resulta una fuerza ascensional 500 que puede utilizarse para una disipación de burbujas de gas 50 que se forman de modo probable.
Según el ejemplo de ejecución representado en la figura 1, el dispositivo de bombeo 121 está conectado de forma fluido-mecánica al canal de entrada 111. Una primera válvula 131 está conectada entre el punto de bifurcación 114 y la cámara de fracción 115, en el canal de suministro 113. Una segunda válvula 132 está conectada al canal de descarga 112.
Las figuras 2A, 2B y 2C muestran representaciones esquemáticas de una sección parcial de un dispositivo según un ejemplo de ejecución. El dispositivo corresponde o se asemeja al dispositivo de la figura 1. La figura 2A muestra una vista superior oblicua, la figura 2B muestra una vista superior y la figura 2C muestra una vista en sección, de la sección parcial del dispositivo. En este ejemplo de ejecución, las cavidades 140 se encuentran en un chip que está fijado en la cámara de fracción 115, por ejemplo mediante un dispositivo de pegado que conecta uno con otro un primer lado del chip y un primer lado de la cámara de fracción 115.
El canal de suministro 113 conduce desde el primer lado hacia el interior de la cámara de fracción 115. El canal de evacuación 116 está dispuesto en un segundo lado de la cámara de fracción 115, Debido a la geometría de la cámara de fracción 115 y del chip con las cavidades 140 se produce una reducción abrupta de las dimensiones espaciales 1130, 1150 del área con conducción de fluido de la cámara de fracción 115, en la transición hacia el chip con las cavidades 140. A esa reducción de las dimensiones espaciales 1130, 1150, según la ecuación de Young-Laplace, se asocia una variación de la presión capilar que se encuentra presente. Además, en un borde que se encuentra presente en la reducción abrupta del área con conducción de fluido, se produce un así llamado "Pinning" (fijación). De ese modo puede beneficiarse una orientación favorecida de forma capilar de un menisco de líquido a lo largo de toda la anchura del chip, antes de que el líquido humedezca un segundo lado del chip con las cavidades 140. La variación espacialmente homogénea de la presión capilar y de la resistencia fluídica a lo largo de toda la anchura del chip favorece además la conformación de un perfil de flujo homogéneo en la cámara de fracción 115, en particular en el área de las cavidades 140 que están dispuestas en el segundo lado del chip.
Además, en esta configuración ventajosa del dispositivo, mediante la utilización de un líquido de sellado con una densidad más elevada que la densidad del líquido de muestra, la introducción de los líquidos en el primer lado de la cámara central 115, así como una orientación adecuada de la cámara central 115 y/o del dispositivo 100 con respecto a un campo gravitatorio, por ejemplo mediante una inclinación adecuada del dispositivo, debido a la diferencia de presión que se encuentra presente, puede alcanzarse una separación estable del líquido de muestra y del líquido de sellado, así como una propagación espacialmente uniforme de la superficie límite de dos fases por la cámara central 115, en donde cada una de las cavidades 140 primero se llena con líquido de muestra y a continuación se recubre con el líquido de sellado.
En conjunto, el dispositivo, en función de las dimensiones seleccionadas, de este modo, permite la conformación de un perfil de flujo lo más homogéneo posible en el espacio, tanto mediante las fuerzas capilares que se presentan, como también mediante el efecto de la gravedad que actúa sobre los líquidos. De este modo, por una parte, puede lograrse un llenado fiable y un sellado de todas las cavidades 140 y, por otra parte, una eficiencia de transferencia elevada del líquido de muestra dese la red microfluídica hacia las cavidades 140 de la estructura de fracción en partes alícuotas; es decir que para el llenado de todas las cavidades 140 ya es suficiente con un volumen relativamente reducido de líquido de muestra.
La figura 3 muestra una representación esquemática de un dispositivo microfluídico 100 según un ejemplo de ejecución, en particular una sección transversal esquemática del dispositivo 100, según otro ejemplo de ejecución. En este caso, el dispositivo 100 se asemeja al dispositivo de una de las figuras antes presentadas, en particular la figura 1. El dispositivo 100, en este ejemplo de ejecución, presenta dos dispositivos de bombeo 121, 122, como por ejemplo bombas peristálticas, que son adecuadas para conseguir distintas tasas de flujo en la red microfluídica del dispositivo 100. Mediante la combinación de dos dispositivos de bombeo 121, 122 con distintos volúmenes de bombeo diferentes puede alcanzarse tanto un bombeo de líquidos particularmente rápido, como también particularmente preciso. Además, el canal de suministro 131 hacia la cámara central 115, en el ejemplo de ejecución representado en la figura 3, presenta una ramificación 1131 que se utiliza para producir un flujo espacialmente homogéneo en la cámara central 115 y para la estabilización capilar de las superficies límite microfluídicas durante el ensanchamiento del flujo.
En este caso, un segundo dispositivo de bombeo 122, entre un primer dispositivo de bombeo 121 y el punto de ramificación 114, está conectado al canal de entrada 111. En la ramificación 1131, el canal de suministro 113 se ramifica en una pluralidad de canales parciales, aquí sólo de forma ilustrativa cuatro canales parciales.
La figura 4 muestra una representación esquemática de un dispositivo 100 según un ejemplo de ejecución. El dispositivo 100 se asemeja aquí al dispositivo de una de las figuras antes presentadas. Una producción y un control de un flujo microfluídico, en este ejemplo de ejecución del dispositivo 100, se basa en una utilización de una membrana elástica que puede desviarse mediante una aplicación específica de presión en puntos definidos. La desviación de la membrana tiene lugar en escotaduras de la red microfluídica proporcionadas para ello, por ejemplo para de ese modo desplazar líquidos, por ejemplo en forma de una cámara de bombeo, o para abrir o cerrar una ruta fluídica, por ejemplo en forma de al menos una válvula. En el ejemplo de ejecución del dispositivo 100 representado en la figura 4, en el canal de suministro 111 están dispuestas tres válvulas microfluídicas que forman una unidad de bombeo 121 peristáltica. Mediante la combinación de dos de las tres válvulas mencionadas del canal de suministro 111 con la cámara de bombeo adyacente a las dos válvulas se realiza una segunda función de bombeo 122. Dependiendo de la función de bombeo utilizada, de este modo, en un ciclo de bombeo pueden transferirse distintos volúmenes. En la proyección en perspectiva ilustrada en la figura 4, a la izquierda, por debajo de la cámara central 115, el canal de suministro 111 presenta una bifurcación 114 hacia un canal de conexión 113, hacia la cámara central 115, y un canal de descarga 112. El canal de conexión 113 presenta una ramificación 1131 de dos niveles, antes de la introducción en la cámara central 115, con las cavidades 140. La cámara central 115 presenta igualmente un canal de evacuación 116.
Las figuras 5A, 5B y 5C muestran representaciones esquemáticas de una sección parcial de un dispositivo microfluídico según un ejemplo de ejecución. En este caso, el dispositivo corresponde o se asemeja al dispositivo de la figura 4. La figura 5A muestra una vista superior oblicua, la figura 5B muestra una vista superior y la figura 5C muestra una vista en sección, de la sección parcial del dispositivo.
Expresado con mayor precisión, se presenta aquí una realización de la cámara de fracción 115 con una estructura de fracción en partes alícuotas de cavidades 140 que, mediante un canal de suministro 113 con ramificación 1131 y un canal de evacuación 116, está conectada a una red microfluídica. En esta forma de ejecución ventajosa del dispositivo según la invención, en la transición de los aquí por ejemplo cuatro canales 1132 de la ramificación 1131 hacia la cámara de fracción 115, se encuentra presente una reducción de las dimensiones espaciales 1130, 1150 de las estructuras con conducción de fluido. En particular, una altura 1150 de la cámara de fracción 115 es significativamente más reducida que una extensión 1130 de los canales de suministro 1132 de la ramificación 1131 en la transición hacia la cámara de fracción 115. Conforme a la ecuación de Young-Laplace, esto corresponde a una variación de la presión capilar que se encuentra presente en la transición de los canales de suministro 1132 hacia la cámara de fracción 115, de manera que mediante la "fijación" que se encuentra aquí presente desde superficies límite de fases, primero puede lograrse un llenado completo de los canales 1132 de la ramificación 1131 y a continuación un llenado lo más homogéneo posible de la cámara de fracción 115.
La figura 6 muestra una representación esquemática de un dispositivo microfluídico 100 según un ejemplo de ejecución, en particular una sección transversal esquemática del dispositivo 100, según otro ejemplo de ejecución. El dispositivo 100 en este caso se asemeja al dispositivo de la figura 3. A continuación se explican las diferencias entre el dispositivo de la figura 3 y el dispositivo 100 representado en la figura 6.
El dispositivo 100, según el ejemplo de ejecución aquí representado, presenta otra cámara 117 que está conectada a la red microfluídica y que presenta un canal de ventilación 118. Además, el dispositivo 100 presenta otro dispositivo de templado, así como una interfaz térmica o una interfaz de intercambio de calor 202 en el área de la otra cámara 117. Debido a esto, la otra cámara 117 en particular puede utilizarse para un templado de líquidos 10, 20, 30, por ejemplo para una desgasificación térmica. Mediante el canal de ventilación 118 en particular puede alcanzarse una disipación de burbujas de gas 50 que se forman. Los canales microfluídicos 110, 111, 112, 113, 116, los dispositivos de bombeo 121, 122, 123 y las válvulas 130, 131, 132 pueden utilizarse para una producción adecuada y un control del flujo microfluídico, en particular entre la cámara de fracción 115, la otra cámara 117 y la red microfluídica, dentro del dispositivo 100.
El primer dispositivo de bombeo 121, entre el segundo dispositivo de bombeo 122 y un tercer dispositivo de bombeo 123, está conectado de forma fluido-mecánica al canal de entrada 111. En este caso, el segundo dispositivo de bombeo 122 está dispuesto entre el primer dispositivo de bombeo 121 y el punto de bifurcación 114. El canal de ventilación 118 puede airearse o bloquearse mediante una válvula 130. La otra cámara 117, mediante otro canal 110, está unida al canal de entrada 111, entre el segundo dispositivo de bombeo 122 y el punto de bifurcación 114, así como está conectada al canal de entrada 111 mediante un canal, entre el primer dispositivo de bombeo 121 y el tercer dispositivo de bombeo 123. Respectivamente una válvula está dispuesta entre el tercer dispositivo de bombeo 123 y el primer dispositivo de bombeo 121, entre el tercer dispositivo de bombeo 123 y la otra cámara 117, entre la otra cámara 117 y el segundo dispositivo de bombeo 122, así como entre el segundo dispositivo de bombeo 122 y el punto de bifurcación 114.
La figura 7 muestra un diagrama de operaciones de un procedimiento 700 operativo, según un ejemplo de ejecución. El procedimiento 700 operativo puede realizarse para operar el dispositivo microfluídico de una de las figuras antes descritas o un dispositivo microfluídico similar, así como para controlar un funcionamiento del mismo.
El procedimiento 700 operativo presenta una etapa 710 de la introducción del líquido de muestra o de una muestra en el dispositivo. A continuación, en el procedimiento 700 operativo, en una etapa 730 de la provocación, se provoca un transporte del líquido de muestra como primera fase y del líquido de sellado como segunda fase a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción, para disponer volúmenes parciales del líquido de muestra en las cavidades y sellarlas con el líquido de sellado. Según el ejemplo de ejecución aquí presentado, la etapa 730 de la provocación de un transporte presenta una subetapa 732 de la producción, una subetapa 734 del transporte y una subetapa 736 de la introducción, como se explica a continuación.
En la subetapa 732 de la producción, a partir del líquido de muestra, como primera fase, y de al menos otra fase que presenta el líquido de sellado y/o un líquido de transporte, en la red microfluídica se produce un sistema multifase. El sistema multifase, por ejemplo, puede estar realizado mediante una incorporación del líquido de muestra o primera fase, a una segunda fase que no puede mezclarse, o que sólo puede hacerlo de forma mínima, con el líquido de muestra, que se utiliza tanto como líquido de sellado, como también como líquido de transporte. De manera alternativa, el líquido de muestra y el líquido de sellado, de uno o de ambos lados, pueden estar incorporados en otra tercera fase que se utiliza como líquido de transporte. Los líquidos utilizados, según un ejemplo de ejecución, a excepción de componentes del líquido de muestra, pueden estar almacenados previamente, en particular ya antes de la etapa 710 de la introducción en el dispositivo.
En la subetapa 734 del transporte, el sistema multifase, mediante al menos un dispositivo de bombeo, se transporta mediante el canal de entrada hacia la ramificación del canal. En este caso, al menos una válvula se controla de manera que un líquido de transporte, que opcionalmente se encuentra presente en el sistema multifase, se descarga mediante el canal de descarga. Expresado de otro modo un transporte microfluídico del sistema multifase tiene lugar mediante al menos un dispositivo de bombeo, mediante el canal de suministro, hacia la ramificación del canal, donde una primera válvula está cerrada y la descarga del líquido de transporte tiene lugar mediante el canal de descarga y una segunda válvula abierta.
En la subetapa 736 de la introducción, el líquido de muestra, seguido del líquido de sellado, se introduce en la cámara de fracción mediante el canal de suministro. Aquí al menos una válvula se controla después de que una superficie límite entre el líquido de muestra y el líquido de transporte, que opcionalmente se encuentra presente, haya pasado la bifurcación del canal. En particular después del pasaje por la bifurcación del canal, mediante la superficie límite entre el líquido de muestra y el líquido de transporte, que eventualmente está realizado de forma idéntica al líquido de sellado, es decir, mediante un líquido con las mismas propiedades físico-químicas, la segunda válvula se cierra y se abre la primera válvula, de manera que el líquido de muestra, seguido del líquido de sellado, mediante el canal de suministro, se introduce en la cámara de fracción. De ese modo, las cavidades o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas primero se llenan con el líquido de muestra y a continuación se recubren con el líquido de sellado, de manera que el líquido de muestra, finalmente, se encuentra presente en las cavidades o compartimentos fraccionados en partes alícuotas.
Según un ejemplo de ejecución, el procedimiento 700 presenta también una etapa 720 de la introducción del dispositivo en una unidad de procesamiento que, entre otras cosas, se utiliza para controlar el flujo microfluídico dentro del dispositivo. Para controlar el flujo microfluídico en el dispositivo puede establecerse por ejemplo una conexión neumática entre el dispositivo y la unidad de procesamiento, la cual posibilita una aplicación controlada de presiones en el dispositivo. De manera adicional o alternativa puede producirse una conexión mecánica entre el dispositivo y la unidad de procesamiento, que puede transmitir fuerzas mecánicas hacia el dispositivo, por ejemplo para liberar reactivos líquidos previamente almacenados en el dispositivo, y/o el dispositivo puede hacerse rotar de forma controlada, de modo que los líquidos encerrados en el dispositivo puedan procesarse mediante las fuerzas de inercia que resultan del movimiento de rotación del dispositivo, así como fuerzas aparentes, como la fuerza centrífuga, la fuerza de Coriolis, la fuerza de Euler. De manera adicional o alternativa, la unidad de procesamiento puede disponer de otras interfaces hacia el dispositivo microfluídico que en particular se establecen en la etapa 720 de la entrada, por ejemplo para templar el dispositivo al menos de forma local y/o para detectar una señal óptica y/o introducir ultrasonido, y/o para introducir energía mecánica y/o acoplar energía electromagnética.
Según un ejemplo de ejecución, el procedimiento 700 para operar el dispositivo microfluídico, después de la etapa 730 de la provocación, presenta también una etapa del templado, en particular del templado cíclico de la cámara de fracción que contiene las cavidades o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas, mediante el dispositivo de templado, la interfaz térmica o la interfaz de intercambio de calor. De ese modo, en las alícuotas del líquido de muestra que se encuentran presentes en las cavidades individuales o compartimentos de la estructura de fracción en partes alícuotas, pueden realizarse reacciones químicas influenciadas térmicamente, por ejemplo reacciones en cadena de polimerasa.
Según un ejemplo de ejecución, en una etapa de la detección, mediante un dispositivo de detección, en particular una interfaz óptica, de manera adicional, se detecta una señal de fluorescencia que en particular parte desde el líquido de muestra hacia las cavidades. De este modo, por ejemplo mediante la utilización de una sonda de fluorescencia de oligonucleótidos desactivada mediante transmisión de energía de resonancia de Forster (por ejemplo sonda TaqMan) y que puede disociarse mediante una polimerasa, puede deducirse la presencia de secuencias de ácido desoxirribonucleico específicas en el líquido de muestra. Mediante la utilización de sondas de fluorescencia puede hacerse un seguimiento en tiempo real y cuantitativo del desarrollo de las reacciones en cadena de polimerasa en las alícuotas del líquido de muestra. En particular, mediante una orientación adecuada del dispositivo pueden disiparse burbujas de gas que se forman durante el templado, mediante la acción de la fuerza ascensional.
Según un ejemplo de ejecución, el procedimiento 700 operativo presenta además una etapa de la desgasificación de uno o de varios de los líquidos, en particular del líquido de sellado, por ejemplo una desgasificación térmica dentro del dispositivo en otra cámara que presenta un segundo dispositivo de templado, así como una interfaz térmica. De este modo puede reducirse la cantidad de burbujas de gas que se forman en la cámara central durante el templado. En particular, una desgasificación y/o un calentamiento del sistema multifase, en particular del líquido de muestra y del líquido de sellado, tiene lugar dentro de la otra cámara proporcionada para ello, antes de la subetapa 134 del transporte, es decir, antes de que el líquido de muestra y el líquido de sellado se transfieran de forma consecutiva a la cámara de fracción. De manera opcional tienen lugar un calentamiento y una desgasificación térmica de solamente el líquido de sellado en la otra cámara. Después de la desgasificación del líquido de sellado en la otra cámara, el mismo, en particular después de la subetapa 736 de la introducción y antes de la etapa del templado, se bombea hacia la cámara de fracción, de manera que la cantidad de líquido de sellado que se encuentra presente en la cámara de fracción se reemplaza por la cantidad de líquido de sellado previamente calentada en la otra cámara y desgasificada térmicamente. De ese modo puede reducirse la cantidad de burbujas de gas que se forman en la cámara de fracción, en particular durante el procesamiento térmico en la etapa del templado.
A continuación, haciendo referencia a las figuras antes descritas se representan brevemente dimensiones y especificaciones del dispositivo 100, a modo de ejemplo.
Las dimensiones laterales del dispositivo 100, por ejemplo, son de 30 x 30 mm2 a 300 x 300 mm2, preferentemente de 50 x 50 mm2 a 100 x 100 mm2. Un grosor de sustratos de polímeros, por ejemplo, es de 0,6 mm a 30 mm, preferentemente de 1 mm a 10 mm. Un grosor de una membrana de polímeros, por ejemplo, es de 50 |jm a 500 |jm, preferentemente de 100 jm a 300 jm. Las secciones transversales de los canales microfluídicos 111, 112, 113 por ejemplo son de 100 x 100 mm2 a 3 x 3 mm2, preferentemente de 300 x 300 mm2 a 131 mm2. Un volumen de las cámaras de bombeo de los dispositivos de bombeo 121, 122, 123 por ejemplo es de 30 nl a 100 jl, preferentemente de 100 nl a 30 jl. Las dimensiones de la cámara de fracción 115 con la estructura de fracción en partes alícuotas por ejemplo son de 3 x 3 x 0,1 mm3 a 30 x 30 x 3 mm3, preferentemente de 3 x 3 x 0,3 mm3 a 10 x 10 x 1 mm3. Un volumen de la cámara de fracción 115 con la estructura de fracción en partes alícuotas por ejemplo es de ~1 j l a ~3 ml, preferentemente de ~3 j l a ~100 jl. Un volumen de las cavidades o compartimentos 140 de la estructura de fracción en partes alícuotas por ejemplo es de 10 pl a 10 jl, preferentemente de 10 nl a 300 nl. Las dimensiones laterales del dispositivo de templado o de la interfaz térmica 201, 202 por ejemplo son de 13 1 mm2 a 100 x 100 mm2, preferentemente de 3 x 3 mm2 a 30 x 30 mm2.
El líquido de muestra, así como la primera fase 10, por ejemplo, presenta soluciones acuosas, en particular para la realización de análisis químicos, bioquímicos, médicos o de diagnóstico molecular, en particular con material de muestra contenido dentro, en particular de origen humano, por ejemplo obtenido de líquidos corporales, frotis, secreciones, esputo o muestras de tejido. Los objetivos que deben detectarse en el líquido de muestra en particular son de relevancia médica, clínica, terapéutica o diagnóstica y por ejemplo pueden ser bacterias, virus, células determinadas, como por ejemplo células tumorales circulantes, ADN libre de células, proteínas u otros biomarcadores.
El líquido de sellado, así como la segunda fase 20 y el líquido de transporte o tercera fase 30 en particular presentan aceites minerales, aceites de silicona, hidrocarburos fluorinizados, como por ejemplo 3M Fluorinert o Fomblin en una combinación adecuada, donde las dos fases no pueden mezclarse una con otra o sólo pueden hacerlo de forma mínima (por ejemplo 3M Fluorinert FC-40 o FC-70 y aceite de silicona), en particular con una solubilidad en agua reducida, para impedir un mezclado no deseado con el líquido de muestra o la primera fase 10, y/o con una viscosidad reducida para alcanzar una movilidad elevada, es decir, una buena disipación de burbujas de gas 50 que se forman, y/o con una conductividad térmica reducida para mantener lo más reducidas posible las pérdidas térmicas parasitarias, y/o con una capacidad térmica reducida para mantener lo más reducida posible la masa térmica que debe procesarse, y/o con agentes surfactantes contenidos para estabilizar la superficie límite con respecto al líquido de muestra o la primera fase 10.
El dispositivo 100 en particular está realizado preferentemente de polímeros, como por ejemplo policarbonato (PC), polipropileno (PP), polietileno (PE), copolímero de cicloolefina (COP, COC), polimetilmetacrilato (PMMA), polidimetilsiloxano (PDMS) o elastómeros termoplásticos (TPE), como poliuretano (TPU) o copolímeros en bloque de estireno (TPS), en particular mediante procedimientos de alto rendimiento, como moldeo por inyección, termomoldeado, punzonado, soldadura por láser. Eventualmente, el dispositivo 100, en particular en el área de la interfaz de intercambio de calor, interfaz térmica o dispositivo de templado 201, está provisto de componentes de materiales con una conductividad térmica elevada, como por ejemplo metales como aluminio, cobre, plata o aleaciones, o silicio, para lograr un intercambio de calor mejorado entre líquidos 10, 20, 30 encerrados en el dispositivo 100 y los dispositivos de calentamiento y/o de refrigeración utilizados.
Los dispositivos de bombeo microfluídicos 121, 122, 123 y las válvulas 130, 131, 132, por ejemplo mediante la desviación efectuada de forma neumática de una membrana de polímeros, están realizados en escotaduras en al menos un sustrato de polímeros, en el que están dispuestos canales microfluídicos y cámaras.
Si un ejemplo de ejecución comprende una vinculación "y/o" entre una primera característica y una segunda característica, entonces eso debe entenderse de manera que el ejemplo de ejecución, según una forma de ejecución, presenta tanto la primera característica, como también la segunda característica, y según otra forma de ejecución presenta sólo la primera característica o sólo la segunda característica.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo microfluídico (100) para procesar y fraccionar en partes alícuotas un líquido de muestra (10), donde el dispositivo microfluídico (100) presenta las siguientes características:
una cámara de fracción (115) para recibir un volumen de entrada del líquido de muestra (10), donde la cámara de fracción (115) presenta una pluralidad de cavidades (140) para recibir volúmenes parciales del líquido de muestra (10) que pueden utilizarse para reacciones de detección, donde la pluralidad de cavidades (140) representa una estructura de fracción en partes alícuotas;
una red microfluídica para la apertura fluido-mecánica de la cámara de fracción (115), donde la red microfluídica presenta al menos un canal de entrada (111), un canal de evacuación (116) conectado a la cámara de fracción (115), al menos una bifurcación del canal (114), del canal de entrada (111), hacia un canal de descarga (112), y un canal de suministro (113) conectado de forma fluido-mecánica a la cámara de fracción (115), y al menos una válvula (130, 131, 132) para influir en un flujo de fluido en el área de la bifurcación del canal (114), donde las dimensiones espaciales de las estructuras que conducen líquido se reducen en la transición hacia la cámara de fracción (115); y
al menos un dispositivo de bombeo (121, 122, 123) para transportar fluidos (10, 20, 30) dentro del dispositivo (100), donde al menos un dispositivo de bombeo (121, 122, 123) y la red microfluídica están diseñados para transportar el líquido de muestra (10), como una primera fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción (115), para disponer volúmenes parciales del líquido de muestra (10) en las cavidades (140), y para transportar un líquido de sellado (20), como una segunda fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción (115), para sellar los volúmenes parciales del líquido de muestra (10) en las cavidades (140) con el líquido de sellado (20), donde el dispositivo (100) está conformado para almacenar previamente el líquido de muestra (10) y el líquido de sellado (20) por fuera de la cámara de fracción (115), donde el líquido de muestra (10) y el líquido de sellado (20), ya durante el transporte hacia la estructura de fracción en partes alícuotas y el llenado de las cavidades (140) con el líquido de muestra (10), presentan una superficie límite en común.
2. Dispositivo (100) según la reivindicación 1, con el líquido de muestra (10) y el líquido de sellado (20).
3. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones precedentes, con un dispositivo de templado (201) para templar los volúmenes parciales del líquido de muestra (10) dispuestos en las cavidades (140), y/o con un dispositivo de detección (301) para la detección óptica de al menos una propiedad de los volúmenes parciales del líquido de muestra (10) dispuestos en las cavidades (140).
4. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el canal de suministro (113) está ramificado en al menos dos canales parciales (1131, 1132) que desembocan en la cámara de fracción (115), y/o donde en un área de desembocadura de los canales parciales (1131, 1132) hacia la cámara de fracción (115) está reducida al menos una dimensión (1130, 1150) de una sección transversal del canal de fluido.
5. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual las cavidades (140) están conformadas en un chip que está dispuesto en la cámara de fracción (115), donde en un área de transición hacia el chip en la cámara de fracción (115) se reduce al menos una dimensión de un área con conducción de fluido de la cámara de fracción (115).
6. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones precedentes, con al menos una membrana elástica que puede desviarse hacia al menos una cámara de bombeo para realizar la función de al menos un dispositivo de bombeo (121, 122, 123), y/o que puede desviarse hacia al menos una cámara de válvula para realizar la función de al menos una válvula (130, 131, 132).
7. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones precedentes, con una pluralidad de dispositivos de bombeo (121, 122, 123), donde los dispositivos de bombeo (121, 122, 123) están diseñados para transportar fluido (10, 20, 30) en la red microfluídica con distintas velocidades de flujo y/o para transportar distintos volúmenes de fluido por ciclo de bombeo, y/o donde los dispositivos de bombeo (121, 122, 123) actúan como una unidad de bombeo peristáltica.
8. Dispositivo (100) según una de las reivindicaciones precedentes, con otra cámara (117) que está conectada de forma fluido-mecánica paralelamente con respecto a por lo menos un canal de entrada (111) y que está conectada de forma fluido-mecánica a un canal de ventilación (118), y con otro dispositivo de templado (202) para templar fluido (10, 20, 30) dispuesto en la otra cámara (117).
9. Procedimiento (700) para operar un dispositivo microfluídico (100) según una de las reivindicaciones precedentes, donde el procedimiento (700) comprende las siguientes etapas:
introducción (710) del líquido de muestra (10) en el dispositivo (100); y
provocación (730) de un transporte del líquido de muestra (10), como primera fase, y del líquido de sellado (20), como segunda fase, a través de la red microfluídica, hacia la cámara de fracción (115), para disponer volúmenes parciales del líquido de muestra (10) en las cavidades (140) y sellarlas con el líquido de sellado (20).
10. Procedimiento (700) según la reivindicación 9, en el cual la etapa (730) de la provocación de un transporte presenta una subetapa (732) de la producción de un sistema multifase a partir del líquido de muestra (10), como primera fase, y de al menos otra fase que presenta el líquido de sellado (20) y/o un líquido de transporte (30), en la red microfluídica, una subetapa (734) del transporte del sistema multifase, mediante al menos un dispositivo de bombeo (121, 122, 123), mediante el canal de entrada (111), hacia la bifurcación del canal (114), donde al menos una válvula (130, 131, 132) se controla de manera que un líquido de transporte (30), que opcionalmente se encuentra presente en el sistema multifase, se descarga mediante el canal de descarga (120), y una subetapa (736) de la introducción del líquido de muestra (10), seguido del líquido de sellado (20), mediante el canal de suministro (113), hacia la cámara de fracción (115), donde en la subetapa (736) de la introducción, después de un pasaje por la bifurcación del canal (114), mediante una superficie límite entre el líquido de muestra (10) y el líquido de transporte (30) que opcionalmente se encuentra presente, se controla al menos una válvula (130, 131, 132).
11. Procedimiento (700) según una de las reivindicaciones 9 a 10, con una etapa del templado de los volúmenes parciales del líquido de muestra (10) dispuestos en las cavidades (140), y/o donde la etapa del templado se realiza repetida de forma cíclica.
12. Procedimiento (700) según una de las reivindicaciones 9 a 11, con una etapa de la detección óptica de al menos una propiedad de los volúmenes parciales del líquido de muestra (10) dispuestos en las cavidades (140).
13. Procedimiento (700) según una de las reivindicaciones 9 a 12 con una etapa de la desgasificación térmica del líquido de muestra (10) y/o del líquido de sellado (20) en otra cámara (117) que está conectada de forma fluidomecánica paralelamente con respecto a por lo menos un canal de entrada (111) y que está conectada de forma fluido-mecánica a un canal de ventilación (118).
14. Procedimiento (700) según la reivindicación 13, con una etapa del desplazamiento del líquido de sellado (20) que sella los volúmenes parciales del líquido de muestra (10) dispuestos en las cavidades (140), mediante líquido de sellado (20) desgasificado en la etapa de la desgasificación térmica.
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