WO2006089694A1 - Vorrichtung und verfahren zur automatischen betätigung einer mikrofluidischen einrichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur automatischen betätigung einer mikrofluidischen einrichtung Download PDF

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Dirk Kuhlmeier
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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
    • G01N35/1095—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices for supplying the samples to flow-through analysers

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the automatic actuation of a microfluidic device.
  • microfluidic devices for carrying out purification and detection methods in the field of biochemistry.
  • Such microfluidic devices include a microfluidic system with channels and reaction chambers.
  • the detection for example a DNA
  • the sample liquid is pumped from a storage chamber into the microfluidic system and brought into contact there with different reagents in succession.
  • a resulting purified reaction product can then be amplified in a reaction chamber, for example by PCR.
  • the amplified reaction product can then be detected by conventional detection methods.
  • microfluidic devices In practice, such microfluidic devices have not yet been successful. They are complicated to use and prone to failure. In the event of a malfunction or malfunction, the microfluidic device must generally be discarded. This causes costs and a renewed time to repeat the purification or detection process.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a device and a method are to be specified with which a facilitated operation of a microfluidic device is possible.
  • ⁇ 3 ISCOPY This object is solved by the features of claims 1 and 19.
  • Advantageous embodiments result from the features of claims 2 to 18 and 20 to 36.
  • actuating device for actuating at least one functional element provided on the microfluidic device
  • a force detection device for detecting a force exerted on the microfluidic device with the actuating force
  • control device connected to the force detection device for controlling the actuating device as a function of the signals supplied by the force detection device.
  • a "microfluidic device” means a unit in which a biochemical purification, analysis and / or detection method can be carried out.
  • predetermined process steps can be carried out, in which a sample liquid containing a biotin to be purified and / or detected is brought into contact with various reagents, for example buffer or washing solutions.
  • the proposed device With the proposed device, a particularly simple operation of a microfluidic device is possible. Operation can be automated with the proposed device. siert done.
  • the force exerted by an actuating device on functional elements of the microfluidic device is detected by means of a force detection device.
  • the control device With the control device, it is possible to operate the functional elements of the microfluidic device exactly, so that damage to the microfluidic device is precluded. If one-way devices are used as microfluidic devices, slightly different geometries of the functional elements may be detected.
  • the proposed force control of the actuator also allows in this case an exact operation of the functional elements.
  • the force detection device in particular an end point can be detected during the actuation of a functional element. It can immediately be prevented further movement of the actuator. This ensures that the movements of the functional elements are always carried out completely or to a predetermined extent.
  • the device according to the invention allows the detection of a fault immediately. It is possible to indicate the presence of a fault to a
  • control means a controlled by a process computer electronics or a computer is suitably used. This allows a program-controlled actuation of the functional elements.
  • the force exerted on the microfluidic device to actuate the functional elements can thus not only be controlled, but expediently also regulated.
  • the force detection device With the signals supplied by the force detection device can also be detected whether by means of the actuating device, the microfluidic device is operated properly.
  • the force profiles recorded with the force detection device can be included in the control device stored force profiles are compared.
  • a further actuation of the microfluidic device can be interrupted and a fault signal output.
  • the microfluidic device preferably releasably, is accommodated in a receiving device.
  • the microfluidic device may be a disposable device which is inserted into the device. After actuation of the functional elements in accordance with a predetermined control program and the termination of the cleaning and / or detection method, the microfluidic device can be removed from the device again and discarded if necessary.
  • the microfluidic device may comprise at least one chamber with a piston movably guided therein. It is particularly expedient that in each case a chamber is designed together with a displaceably guided therein piston as a cartridge. In this case, the microfluidic device has a further receiving device for inserting the cartridge. This makes it possible to equip a microfluidic device of the same type depending on the requirements with different reagents.
  • the microfluidic device may comprise at least one valve.
  • the piston and / or the valve may form the functional element (s).
  • the actuating device for actuating the functional elements may comprise a mechanically, hydraulically or pneumatically operable actuating element. It may conveniently be a ram.
  • the plunger for example, the piston can be displaced in the chamber so that its volume is reduced and thus a flowable sample received therein and / or a flowable reagent is forced out of the chamber.
  • a suitably designed valve can be closed or opened by pressure with a plunger.
  • a closure element for closing a channel can be depressed and thus the channel can be closed.
  • the force detection device comprises at least one force transducer or force sensor.
  • the force transducer may be, for example, a strain gauge force transducer (strain gauge load cell), a piezoelectric force transducer, magnetoelastic force transducer or inductive force transducer.
  • the force transducer is provided on the receiving device.
  • the receiving device may, for example, have a plate-shaped carrier for mounting the microfluidic device. Opposite the carrier may be arranged as a plunger actuation elements of the actuator can be arranged.
  • the force transducer is mounted on the carrier such that when the microfluidic device is inserted, it is supported on the carrier via the force transducer. A force exerted on the microfluidic device can thus be determined.
  • the receiving device may also be a compartment or an insertion slot formed corresponding to the shape of the microfluidic device.
  • the force transducer is supported by means of an elastic element on the receiving device.
  • the microfluidic device is supported by means of a further elastic element against the force transducer.
  • the elastic elements are expediently springs, the spring constant of which is selected so that only a negligible change in length occurs during proper operation of the actuating elements.
  • elastomers can also be used as elastic elements.
  • the device is for
  • the device for receiving may be, for example, a pivotally mounted plate. This also avoids tilting of the microfluidic device accommodated in the receiving device.
  • the receiving device may also be movably connected to the force transducer.
  • the force sensing device comprises a plurality of force transducers.
  • two, four or six force transducers may be provided on a carrier on which the microfluidic device is supported in a planar manner. This allows a spatially resolved detection of the force acting on the microfluidic device and thus a particularly precise control and / or regulation of the movements of the actuating elements.
  • the control device measures a comparison device for comparing stored force profiles Having force profiles. This allows rapid detection of disturbances, such as clogging of channels in the microfluidic device.
  • the control device has an interrupting device for interrupting the operation of the actuating device as a function of a degree of agreement determined by the comparison device. If the degree of agreement is too low, the interruption device can immediately interrupt the further operation of the actuating device and issue a warning to the user.
  • the movements of the moving elements of the actuator can not only be controlled, but also regulated in dependence on the measured force. Such a regulation further contributes to a particularly precise procedure.
  • a method of automatically actuating a microfluidic device comprising the steps of:
  • Control of the actuating device as a function of the signals supplied by the force detection device by means of a control device connected to the force detection device.
  • the proposed method enables automatic, safe and reliable operation of a microfluidic device.
  • the actuating device is controlled by the force exerted on the microfluidic device.
  • FIG. 1 shows schematically a first microfluidic device and a first receiving device
  • FIG. 2 is a schematic view of the course of force during the insertion of the first microfluidic device into the first receiving device
  • FIG. 3 shows the microfluidic device according to FIG. 2 with an actuating device
  • FIGS. 4a-c show schematic courses of force when actuating the plungers of the actuating device
  • FIG. 6 shows schematically the course of force observable in the stages according to FIG. 5, FIG.
  • FIG. 7 measured force profiles
  • FIG. 10 shows a second microfluidic device with an actuating device.
  • the receiving device 1 shows schematically a receiving device 1 for receiving a microfluidic device, generally designated by the reference numeral 2.
  • the receiving device 1 is designed in the form of a slide-in shaft which is bounded by side walls 3 and a base or a carrier 4.
  • two load cells 5 are attached. These may be piezoelectric or resistive components.
  • the microfluidic device 2 comprises a further receiving device 6 with a plurality of cylindrical recesses 7, in which cartridges 8 are inserted.
  • Each of the cartridges 8 has at its one end a displaceable piston 9 and at its other end a closed with a closure means 10, for example a ball, opening 11.
  • Fig. 2 shows in arbitrary units schematically that of the force transducers 5 during insertion of the microfluidic
  • the force thus indicated corresponds essentially to the weight force of the microfluidic device 2 or the weight and an additional clamping force with which the microfluidic device 2 is held in the receiving device 1.
  • the microfluidic device 2 is inserted into the receiving device 1.
  • the microfluidic device 2 lies with its bottom 12 on the force transducers 5 on.
  • the reference numerals Sl, S2, S3 are substantially perpendicular to the support plate 4 movable plunger referred.
  • the plunger Sl, S2, S3 are part of an actuator not shown here. You can use the actuating device individually according to a given
  • FIGS. 4a to c show schematically the force profiles during the
  • the plunger Sl does not touch the cartridge 8.
  • the force transducers 5 only reproduce the force produced essentially by the weight of the microfluidic device 2.
  • phase II the plunger Sl touches the piston 9.
  • the cartridge 8 is pressed in the recess 7 against a (not shown here) ⁇ Stammselernent, which presses on the closure means 10.
  • phase III the closure means 10 is displaced and finally pushed out. As a result of pushing out of the closure means 10 results in a power relief.
  • phase IV the piston 9 is advanced with the plunger Sl in the direction of the opening 11. A liquid received in the cartridge 8 is forced through the opening 11 into a channel system (not shown here) of the microfluidic device 2.
  • the piston 9 abuts the closure means 10 pressed into the cartridge 8. The power increases abruptly. As a result, for example, a ram movement can be stopped immediately.
  • phase VI the plunger Sl is withdrawn.
  • the force acting on the force transducer 5 decreases abruptly.
  • the phases I to VI described by way of example in FIG. 6 are characteristic of the movement of each of the plungers S 1, S 2 and S 3 shown in FIGS. 3 and 4 a to c. Depending on the position of the respective plunger Sl, S2, S3 and the arrangement of the force sensors 5, the measured maximum values may differ.
  • the force curve is retained by its characteristics and is suitable for controlling and / or regulating the movements of the plungers S 1, S 2 and S 3.
  • Fig. 7 a measured force profile is shown.
  • the "Sensor 1" measurement was performed with a lower sensitivity than the “Sensor 2" measurement.
  • a force peak with a subsequent force drop can be observed, which is caused by the piercing of the closure means 10 closing the opening 11.
  • FIG. 8 schematically shows a second receiving device 13.
  • the carrier 4 is movably mounted about a pivot point 14.
  • the force transducers 5 are supported on the carrier 4 via spring elements 16.
  • a provided with channels 18 plate 19 has a plurality of valves 20. Furthermore, connection elements 21 are provided for connecting the cartridges 8.
  • the plungers Sl, S2, S3, S4 are each surrounded by a tube R1, R2, R3, R4.
  • the tubes Rl, R2, R3, R4 are reciprocable as well as the plunger Sl, S2, S3, S4. They are expediently used to depress the cartridge 8 by a predetermined amount against the plate 19, so as to remove the closure means 10 or pierce and release the opening 11.
  • the plungers Sl, S2, S3, S4 are used for actuation, for example the piston 9 or the valves 20.
  • the valves 20 can - as shown in Fig. 10 - be closed by force by means of one of the plunger S3, S4.
  • the force transducers 5 are connected to a controller 22.
  • the signals measured by the force transducers 5 are evaluated by the controller, which may be, for example, a process computer or computer.
  • the actuating device has drive devices 23, with which the plungers Sl, S2, S3, S4 as well as possibly the tubes R1, R2, R3, R4 can be moved back and forth.
  • the drive devices 23 may be, for example, stepper motors with which exactly one predetermined movement of the plungers S1, S2, S3, S4 and / or the tubes R1, R2, R3, R4 can be carried out. The movement takes place according to a predetermined program, which is stored in the controller.
  • the movement sequence can additionally be controlled or regulated.
  • a movement can be a predetermined force threshold interrupted or reversed.
  • a particularly gentle actuation of the functional elements can be achieved. It is particularly avoided that sensitive functional elements, such as valves 20, are acted upon by a too high force.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung mit einer Betätigungseinrichtung (S1, S2, S3, S4, R1, R2, R3, R4, 23) zum Betätigen zumindest eines an der mikrofluidischen Einrichtung (17) vorgesehenen Funktionselements (9, 20), einer Krafterfassungseinrichtung (5) zur Erfassung einer auf die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mit der Betätigungseinrichtung (S1, S2, S3, S4, R1, R2, R3, R4, 23) ausgeübten Kraft und eine mit der Krafterfassungseinrichtung (5) verbundene Steuereinrichtung (22) zur Steuerung der Betätigungseinrichtung (S1, S2, S3, S4, R1, R2, R3, R4, 23) in Abhängigkeit der von der Krafterfassungseinrichtung (5) gelieferten Signale.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR AUTOMATISCHEN BETÄTIGUNG EINER
MIKROFLÜIDISCHEN
EINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung.
Mach dem Stand der Technik sind beispielsweise aus der US 5,229,297 mikrofluidische Einrichtungen zur Durchführung von Aufreinigungs- und Nachweisverfahren Im Bereich der Biochemie bekannt. Derartige mikrofluidische Einrichtungen umfassen ein mikrofluidisches System mit Kanälen und Reaktionskammern. Zur Durchführung des Nachweises, beispielsweise einer DNA, wird die Probenflüssigkeit aus einer Vorratskammer in das mikrofluidische System gepumpt und dort aufeinander folgend mit verschiedenen Reagenzien in Kontakt gebracht. Ein sich ergebendes aufgereinigtes Reaktionsprodukt kann anschließend in einer Reaktionskammer beispielsweise mittels PCR amplifiziert werden. Das amplifizierte Reaktionsprodukt kann dann mittels gängiger Nachweisverfahren nachgewiesen werden.
In der Praxis haben sich derartige mikrofluidische Einrichtungen bisher noch nicht durchsetzten können. Sie sind kom- pliziert zu bedienen und störanfällig. Bei einer Fehlbedienung oder Störung muss die mikrofluidische Einrichtung in der Regel verworfen werden. Das verursacht Kosten sowie einen erneuten Zeitaufwand zur Wiederholung des Aufreinigungs- oder Nachweisverfahrens .
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, mit denen eine erleichterte Bedienung einer mikrofluidischen Einrichtung möglich ist. ι3 ISKOPIE Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 19 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 18 und 20 bis 36.
Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur automatischen Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung vorgeschlagen
mit einer Betätigungseinrichtung zum Betätigen zumindest eines an der mikrofluidischen Einrichtung vorgesehenen Funktionselements,
einer Krafterfassungseinrichtung zur Erfassung einer auf die mikrofluidische Einrichtung mit der Betätigungseinrichtung ausgeübten Kraft und
eine mit der Krafterfassungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zur Steuerung der Betätigungseinrichtung in Abhän- gigkeit der von der Krafterfassungseinrichtung gelieferten Signale.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einer "mikrofluidischen Einrichtung" eine Einheit verstanden, in der ein biochemisches Aufreinigungs- , Analyse- und/oder Nachweisverfahren durchführbar ist. In dieser Einheit können vorgegebene Verfahrensschritte durchgeführt werden, bei denen eine ein aufzureinigendes und/oder nachzuweisendes Biopolymer enthaltende Probenflüssigkeit mit verschiedenen Reagenzien, bei- spielsweise Puffer- oder Waschlösungen, in Kontakt gebracht wird.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung ist eine besonders einfache Bedienung einer mikrofluidischen Einrichtung möglich. Die Bedienung kann mit der vorgeschlagenen Vorrichtung automati- siert erfolgen. Dazu wird die von einer Betätigungseinrich- tung auf Funktionselemente der mikrofluidischen Einrichtung ausgeübte Kraft mittels einer Krafterfassungseinrichtung er- fasst. Mit der Steuereinrichtung ist es möglich, die Funkti- onselemente der mikrofluidischen Einrichtung exakt zu betätigen, so dass eine Beschädigung der mikrofluidischen Einrichtung ausgeschlossen ist. Falls als mikrofluidische Einrichtungen Einwegeinrichtungen verwendet werden, können eventuell geringfügig abweichende Geometrien der Funktionselemente er- kannt werden. Die vorgeschlagene Kraftsteuerung der Betätigungseinrichtung ermöglicht auch in diesem Fall eine exakte Betätigung der Funktionselemente. Mit der Krafterfassungseinrichtung kann insbesondere ein Endpunkt bei der Betätigung eines Funktionseiements erkannt werden. Es kann sofort eine weitere Bewegung der Betätigungseinrichtung unterbunden werden. Damit ist sichergestellt, dass die Bewegungen der Funktionselemente stets vollständig bzw. in einem vorgegebenen Umfang ausgeführt werden. Abgesehen davon, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung sofort das Erkennen einer Störung. Es ist möglich, das Vorliegen einer Störung einem Benutzer anzuzeigen.
Als Steuereinrichtung wird zweckmäßigerweise eine mittels eines Prozessrechners gesteuerte Elektronik bzw. ein Computer verwendet. Das ermöglicht eine programmgesteuerte Betätigung der Funktionselemente. Die zur Betätigung der Funktionselemente auf die mikrofluidische Einrichtung ausgeübte Kraft kann damit nicht nur gesteuert, sondern zweckmäßigerweise auch geregelt werden.
Mit den von der Krafterfassungseinrichtung gelieferten Signalen kann außerdem erkannt werden, ob mittels der Betätigungseinrichtung die mikrofluidische Einrichtung ordnungsgemäß betätigt wird. Dazu können die mit der Krafterfassungseinrich- tung aufgenommenen Kraftprofile mit in der Steuereinrichtung gespeicherten Kraftprofilen, verglichen werden. Bei einer signifikanten Abweichung der gemessenen Kraftprofile kann eine weitere Betätigung der mikrofluidischen Einrichtung unterbrochen und ein Störungssignal ausgegeben werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mikrofluidische Einrichtung, vorzugsweise lösbar, in einer Aufnahmeeinrichtung aufgenommen ist. Bei der mikrofluidischen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine Einwe- geinrichtung handeln, welche in die Vorrichtung eingesetzt wird. Nach der Betätigung der Funktionselemente gemäß eines vorgegebenen Steuerungsprogramms und der Beendigung des Auf- reinigungs- und/oder Nachweisverfahrens kann die mikrofluidische Einrichtung wieder aus der Vorrichtung entnommen und ggf- verworfen werden.
Die mikrofluidische Einrichtung kann mindestens eine Kammer mit einem darin verschiebbar geführten Kolben umfassen. Besonders zweckmäßig ist es, dass jeweils eine Kammer zusammen mit einem darin verschiebbar geführten Kolben als Patrone ausgeführt ist. In diesem Fall weist die mikrofluidische Einrichtung eine weitere Aufnahmeeinrichtung zum Einstecken der Patrone auf. Damit ist es möglich, eine mikrofluidische Einrichtung ein und derselben Bauart je nach Anforderungsprofil mit unterschiedlichen Reagenzien zu bestücken.
Des Weiteren kann die mikrofluidische Einrichtung mindestens ein Ventil umfassen. Der Kolben und/oder das Ventil können das/die Funktionselement/e bilden. Die Betätigungseinrichtung zur Betätigung der Funktionselemente kann ein mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbares Betätigungselement umfassen. Es kann sich dabei zweckmäßigerweise um einen Stößel handeln. Mit dem Stößel kann beispielsweise der Kolben in der Kammer verschoben werden, so dass sich deren Volumen ver- ringert und damit eine darin aufgenommene fließfähige Probe und/oder ein fließfähiges Reagenz aus der Kammer herausgedrückt wird. Ferner kann ein geeignet ausgeführtes Ventil durch Druck mit einem Stößel geschlossen oder geöffnet werden. Dazu kann beispielsweise mit dem Stößel ein Verschlus- selement zum Verschließen eines Kanals niedergedrückt und damit der Kanal verschlossen werden. Durch Zurückziehen des Stößels wird das Verschlusselement, beispielsweise eine elastische Membran, selbsttätig wieder geöffnet. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Krafterfassungs- einrichtung zumindest einen Kraftaufnehmer bzw. Kraftsensor umfasst. Der Kraftaufnehmer kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen-Kraftaufnehmer (DMS-Kraftaufnehmer) , ein piezoelektrischer Kraftaufnehmer, magnetoelastischer Kraftaufnehmer oder induktiver Kraftaufnehmer sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kraftaufnehmer an der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist. Die Aufnahmeeinrichtung kann beispielsweise einen plattenförmigen Träger zum Aufsetzen der mikrofluidischen Einrichtung aufwei- sen. Gegenüberliegend dem Träger können die als Stößel ausgeführten Betätitungselemente der Betätigungseinrichtung angeordnet sein. In diesem Fall ist der Kraftaufnehmer beispielsweise so auf dem Träger angebracht, dass beim Einsetzen der mikrofluidischen Einrichtung diese über den Kraftaufnehmer auf dem Träger abgestützt ist. Eine auf die mikrofluidische Einrichtung ausgeübte Kraft kann damit ermittelt werden.
Bei der Aufnahmeeinrichtung kann es sich auch um ein korrespondierend zur Form der mikrofluidischen Einrichtung ausge- bildetes Fach bzw. einen Einschubschacht handeln. Damit kann vorteilhafterweise ein seitliches Ausweichen der mikrofluidi- schen Einrichtung bei Ausübung einer Kraft mittels der Betätigungselemente vermieden werden. In diesem Fall kann es aber dazu kommen, dass die mikrofluidische Einrichtung bei Aus- Übung einer Kraft in der Aufnahmeeinrichtung verkantet und damit die auf die mikrofluidische Einrichtung ausgeübte Kraft nicht mehr exakt messbar ist. Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Kraftaufnehmer mittels eines elastischen Elements an der Aufnahme- einrichtung abgestützt ist. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, dass die mikrofluidische Einrichtung mittels eines weiteren elastischen Elements gegen den Kraftaufnehmer abgestützt ist. Bei den elastischen Elementen handelt es sich zweckmäßigerweise um Federn, deren Federkonstante so gewählt ist, dass bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Betätigungselemente eine nur unwesentliche Längenänderung auftritt. Insbesondere zur Dämpfung von Schwingungen können als elastische Elemente auch Elastomere verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Einrichtung zur
Aufnahme beweglich mit dem Kraftaufnehmer verbunden. Bei der Einrichtung zur Aufnahme kann es sich beispielsweise um ein schwenkbar gelagerte Platte handeln. Auch damit kann ein Verkanten der in der Aufnahmeeinrichtung aufgenommenen mi- krofluidischen Einrichtung vermieden werden. In diesem Zusammenhang kann die Aufnahmeeinrichtung auch beweglich mit dem Kraftaufnehmer verbunden sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Krafterfas- sungseinriσhtung mehrere Kraftaufnehmer. Es können beispielsweise zwei, vier oder sechs Kraftaufnehmer auf einem Träger vorgesehen sein, auf dem die mikrofluidische Einrichtung flächig abgestützt wird. Das ermöglicht eine ortsaufgelöste Erfassung der auf die mikrofluidische Einrichtung wirkenden Kraft und damit eine besonders exakte Steuerung und/oder Regelung der Bewegungen der Betätigungselemente.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen gespeicherter Kraftprofile mit gemessenen Kraftprofilen aufweist. Das ermöglicht eine rasche Erkennung von Störungen, beispielsweise einer Verstopfung von Kanälen in der mikrofluidischen Einrichtung. Vorteilhafterweise weist die Steuereinrichtung eine Unterbrechungseinrichtung zum Un- terbrechen des Betriebs der Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit eines von der Vergleichseinrichtung ermittelten Übereinstimmungsgrads auf. Mit der Unterbrechungseinrichtung kann bei einem zu geringen Übereinstimmungsgrad sofort eine Unterbrechung des weiteren Betriebs der Betätigungseinrichtung er- folgen und ein Warnhinweis an den Benutzer ausgegeben werden.
Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung können die Bewegungen der Bewegungselemente der Betätigungseinrichtung nicht nur gesteuert, sondern auch in Abhängigkeit der gemessenen Kraft geregelt werden. Eine solche Regelung trägt weiter zu einer besonders präzisen Verfahrensführung bei.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung mit folgenden Schritten vorgesehen:
Betätigen zumindest eines an der mikrofluidischen Einrichtung vorgesehenen Funktionselernents mittels einer Betätigungseinrichtung,
Erfassung einer auf die mikrofluidische Einrichtung mit der Betätigungseinrichtung ausgeübten Kraft mittels einer Krafterfassungseinrichtung und
Steuerung der Betätigungseinrichtung in Abhängigkeit der von der Krafterfassungseinrichtung gelieferten Signale mittels einer mit der Krafterfassungseinrichtung verbundenen Steuereinrichtung. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine automatische, sichere und zuverlässige Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung. Dabei wird die Betätigungseinrichtung gesteuert durch die auf die mikrofluidische Einrichtung ausgeübte Kraft .
Die vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmale der Vorrichtung sind sinngemäß auch für das Verfahren gültig. Es wird insoweit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungen genommen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erste mikrofluidische Ein- richtung sowie eine erste Aufnahmeeinrichtung,
Fig. 2 schematisch den Kraftverlauf beim Einsetzen der ersten mikrofluidischen Einrichtung in die erste Aufnahmeeinrichtung,
Fig. 3 die mikrofluidische Einrichtung gemäß Fig. 2 mit einer Betätigungseinrichtung,
Fig. 4a - c schematische Kraftverläufe beim Betätigen der Stößel der Betätigungseinrichtung,
Fig. 5 verschiedene Stadien beim Bewegen eines Kolbens in einer Kammer,
Fig. 6 schematisch den in den Stadien gemäß Fig. 5 beobachtbaren Kraftverlauf,
Fig. 7 gemessene Kraftverläufe,
Fig. 8 schematisch eine zweite Aufnahmeeinrichtung, Fig. 9 schematisch eine dritte Aufnahmeeinrichtung und
Fig. 10 eine zweite mikrofluidische Einrichtung mit einer Betätigungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Aufnahmeeinrichtung 1 zur Aufnahme einer allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneten mikrofluidischen Einrichtung. Die Aufnahmeeinrichtung 1 ist in Form eines Einschubschachts ausgebildet, der durch Seitenwände 3 und einen Boden bzw. einen Träger 4 begrenzt ist. An einer dem Einschubschacht zugewandten oberen Seite des Trägers 4 sind zwei Kraftaufnehmer 5 angebracht . Es kann sich dabei um piezoelektrische oder resistive Bauelemente handeln.
Die mikrofluidische Einrichtung 2 umfasst eine weitere Aufnahmeeinrichtung 6 mit mehreren zylindrischen Ausnehmungen 7, in welche Patronen 8 eingesteckt sind. Jede der Patronen 8 weist an ihrem einen Ende einen verschiebbaren Kolben 9 und an ihrem anderen Ende eine mit einem Verschlussmittel 10, beispielsweise einer Kugel, verschlossene Öffnung 11 auf.
Fig. 2 zeigt in willkürlichen Einheiten schematisch das von den Kraftaufnehmern 5 beim Einstecken der mikrofluidischen
Einrichtung 2 in die Aufnahmeeinrichtung 1 gelieferte Signal. Die damit angezeigte Kraft entspricht im Wesentlichen der Gewichtskraft der mikrofluidischen Einrichtung 2 oder auch der Gewichtskraft und einer zusätzlichen Spannkraft, mit der die mikrofluidische Einrichtung 2 in der Aufnahmeeinrichtung 1 gehalten wird.
In Fig. 3 ist die mikrofluidische Einrichtung 2 in die Aufnahmeeinrichtung 1 eingesteckt . Die mikrofluidische Einrich- tung 2 liegt mit ihrem Boden 12 auf den Kraftaufnehmern 5 auf. Mit den Bezugszeichen Sl, S2, S3 sind im Wesentlichen senkrecht zur Trägerplatte 4 bewegbare Stößel bezeichnet . Die Stößel Sl, S2, S3 sind Bestandteil einer hier nicht näher dargestellten Betätigungseinrichtung. Sie können mit der Be- tätigungseinrichtung individuell gemäß einem vorgegebenen
Programm hin und her bewegt werden. Die Bewegungen der Stößel Sl, S2, S3 können mechanisch, beispielsweise mittels Gewindespindeln, hydraulisch oder pneumatisch erzeugt werden.
Die Fig. 4a bis c zeigen schematisch die Kraftverläufe beim
Niederdrücken der Stößel Sl, S2, S3 auf die jeweiligen Kolben 9 der Patronen 8.
In den Fig. 5 und 6 sind die beobachtbaren Kraftverläufe nochmals beispielhaft erläutert.
Bei der Phase I berührt der Stößel Sl die Patrone 8 nicht . Die Kraftaufnehmer 5 geben lediglich die im Wesentlichen durch das Gewicht der mikrofluidischen Einrichtung 2 hervor- gerufene Kraft wieder.
Bei der Phase II berührt der Stößel Sl den Kolben 9. Die Patrone 8 wird in der Ausnehmung 7 gegen ein (hier nicht gezeigtes) Öffnungselernent gedrückt, welches auf das Ver- Schlussmittel 10 drückt.
Bei der Phase III wird das Verschlussmittel 10 verschoben und schließlich herausgedrückt. Infolge des Herausdrückens des Verschlussmittels 10 ergibt sich eine Kraftentlastung.
Während der Phase IV wird der Kolben 9 mit dem Stößel Sl in Richtung der Öffnung 11 vorgeschoben. Eine in der Patrone 8 aufgenommene Flüssigkeit wird durch die Öffnung 11 in ein Kanalsystem (hier nicht gezeigt) der mikrofluidischen Einrich- tung 2 gedrückt . Bei der Phase V stößt der Kolben 9 am in die Patrone 8 hineingedrückten Verschlussmittel 10 an. Die Kraft steigt sprunghaft an. Infolgedessen kann beispielsweise eine Stößel- bewegung sofort gestoppt werden.
Während der Phase VI wird der Stößel Sl zurückgezogen. Die auf die Kraftaufnehmer 5 wirkende Kraft nimmt sprunghaft ab.
Die in Fig. 6 beispielhaft beschriebenen Phase I bis VI sind charakteristisch für die Bewegung jeder der in den Fig. 3 und 4a bis c gezeigten Stößel Sl, S2 und S3. Je nach Position des jeweiligen Stößels Sl, S2, S3 und nach Anordnung der Kraft- aufnehmer 5 können die gemessenen Maximalwerte sich unter- scheiden. Der Kraftverlauf bleibt von seiner Charakteristik her jedoch erhalten und eignet sich zur Steuerung und/oder Regelung der Bewegungen der Stößel Sl, S2 und S3.
In Fig. 7 ist ein gemessener Kraftverlauf gezeigt. Die Mes- sung "Sensor 1" ist mit einer geringeren Empfindlichkeit als die Messung "Sensor 2" durchgeführt worden. Insbesondere aus der Messung "Sensor 2" ist ähnlich zu der in Fig. 6 erläuterten Phase II eine Kraftspitze mit einem nachfolgenden Kraftabfall zu beobachten, der durch das Durchstoßen des die Öff- nung 11 verschließenden Verschlussmittels 10 hervorgerufen wird.
Fig. 8 zeigt schematisch eine zweite Aufnahmeeinrichtung 13. Dabei ist der Träger 4 um einen Drehpunkt 14 beweglich gela- gert . Bei der in Fig. 9 gezeigten dritten Aufnahmeeinrichtung 15 sind die Kraftaufnehmer 5 über Federelemente 16 auf dem Träger 4 abgestützt. Mit beiden Ausführungsvarianten wird vermieden, dass die mikrofluidische Einrichtung 2 - beispielsweise durch Verkanten - nicht vollständig kraftschlüs- sig auf den Kraftaufnehmer 5 aufliegt. Die vorgeschlagenen Ausführungsvarianten ermöglichen eine sichere und zuverlässige Ermittlung der auf die mikrofluidische Einrichtung 2 ausgeübten Kraft .
Fig. 10 zeigt eine weitere mikrofluidische Einrichtung 17.
Eine mit Kanälen 18 versehene Platte 19 weist mehrere Ventile 20 auf. Ferner sind Anschlusselemente 21 zum Anschluss der Patronen 8 vorgesehen. Die Stößel Sl, S2 , S3 , S4 sind hier jeweils von einem Rohr Rl, R2, R3 , R4 umgeben. Die Rohre Rl, R2, R3, R4 sind ebenso wie die Stößel Sl, S2 , S3 , S4 hin- und herbewegbar. Sie dienen zweckmäßigerweise dazu, die Patrone 8 um einen vorgegebenen Betrag gegen die Platte 19 herunterzudrücken, um damit das Verschlussmittel 10 zu entfernen bzw. zu durchbohren und die Öffnung 11 freizugeben. Die Stößel Sl, S2, S3 , S4 dienen der Betätigung, beispielsweise der Kolben 9 oder der Ventile 20. Die Ventile 20 können - wie in Fig. 10 gezeigt ist - durch Kraft mittels eines der Stößel S3 , S4 geschlossen werden.
Wie aus Fig. 10 weiter ersichtlich ist, sind die Kraftaufnehmer 5 mit einer Steuerung 22 verbunden. Die von den Kraftauf- nehmern 5 gemessenen Signale werden von der Steuerung, bei der es sich beispielsweise um einen Prozessrechner oder Computer handeln kann, ausgewertet. Die Betätigungseinrichtung weist Antriebseinrichtungen 23 auf, mit denen die Stößel Sl, S2, S3, S4 sowie ggf. die Rohre Rl, R2 , R3 , R4 hin und her bewegbar sind. Es kann sich bei den Antriebseinrichtungen 23 beispielsweise um Schrittmotoren handeln, mit denen exakt eine vorgegebene Bewegung der Stößel Sl, S2, S3, S4 und/oder der Rohre Rl, R2 , R3 , R4 durchführbar ist. Der Bewegungsablauf erfolgt nach einem vorgegebenen Programm, welches in der Steuerung hinterlegt ist. Durch die Messung der durch den Bewegungsablauf auf die weitere mikrofluidische Einrichtung 17 ausgeübten Kraft kann der Bewegungsablauf zusätzlich gesteu- ert bzw. regelt werden. So kann eine Bewegung bei Überschrei- ten eines vorgegebenen Kraftschwellwerts unterbrochen oder umgekehrt werden. Mittels der vorgeschlagenen Kraftmessung kann eine besonders schonende Betätigung der Funktionselemente erreicht werden. Es wird insbesondere vermieden, dass empfindliche Funktionselemente, beispielsweise Ventile 20, mit einer zu hohen Kraft beaufschlagt werden.
Bezugszeichenliste
1 Aufnahmeeinrichtung
2 mikrofluidische Einrichtung
3 Seitenwand
4 Träger
5 Kraftaufnehmer
6 weitere Aufnahmeeinrichtung
7 Ausnehmung
8 Patrone
9 Kolben
10 Verschlussmittel
11 Öffnung
12 Boden
13 zweite Aufnahmeeinrichtung
14 Drehpunkt
15 dritte Aufnahmeeinrichtung
16 Federelement
17 weitere mikrofluidische Einrichtung
18 Kanal
19 Platte 20 Ventil
21 Anschlusselement
22 Steuerung
23 Antriebseinrichtung
Sl, S2, S3, S4 Stößel Rl, R2, R3, R4 Rohr

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur automatischen Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung
mit einer Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4 , Rl, R2, R3 , R4 , 23) zum Betätigen zumindest eines an der mikrofluidischen Einrichtung (2, 17) vorgesehenen Funktionselements (9, 20) ,
einer Krafterfassungseinrichtung (5) zur Erfassung einer auf die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mit der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4, Rl, R2 , R3 , R4 , 23) ausgeübten Kraft und
eine mit der Krafterfassungseinrichtung (5) verbundene Steuereinrichtung (22) zur Steuerung der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4, Rl, R2 , R3 , R4 , 23) in Abhängigkeit der von der Krafterfassungseinrichtung (5) gelieferten Signale.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mikrofluidische
Einrichtung, vorzugsweise lösbar, in einer Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) aufgenommen ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mindestens eine Kammer mit einem darin verschiebbar geführten Kolben (9) um- fasst .
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils eine Kammer zusammen mit einem darin verschiebbar geführten Kolben (9) als Patrone (8) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) eine weitere Aufnah- meeinrichtung (6) zum Einstecken der Patrone (8) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mindestens ein Ventil (20) umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolben (9) und/oder das Ventil (20) das/die Funktionsele- ment/e bilden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4 , Rl, R2 , R3 , R4 , 23) zur Betätigung des Funktionselements ein mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbares Betätigungselement umfasst .
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betätigungselement ein Stößel (Sl, S2, S3 , S4, Rl, R2 , R3, R4, 23) ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Krafterfassungseinrichtung zumindest einen Kraftaufnehmer (5) umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei der Kraftaufnehmer (5) an der Aufnahmeeinrichtung (3, 13,
15) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftaufnehmer (5) mittels eines elastischen Elements (16) an der Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) abgestützt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mikrofluidischen Einrichtung (2, 17) mittels eines weiteren elastischen Elements gegen den Kraftaufnehmer (5) abgestützt ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) unter Zwischenschaltung des Kraftaufnehmer (5) auf ein Gehäuse der Vorrichtung abgestützt ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) beweglich mit dem Kraftaufnehmer (5) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Krafterfassungseinrichtung mehrere Kraftaufnehmer (5) umfasst .
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (22) eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen gespeicherter Kraftprofile mit gemessenen Kraft- profilen aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (22) eine Unterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen des Betriebs der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4, Rl, R2, R3 , R4 , 23) in Abhängigkeit eines von der Vergleichseinrichtung ermittelten Übereinstimmungsgrads auf- weist.
19. Verfahren zur automatischen Betätigung einer mikrofluidischen Einrichtung mit folgenden Schritten:
Betätigen zumindest eines an der mikrofluidischen Einrichtung (2, 17) vorgesehenen Funktionselements (9, 20) mittels einer Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4 , Rl, R2 , R3 , R4 , 23),
Erfassung einer auf die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mit der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3 , S4, Rl, R2 , R3 , R4, 23) ausgeübten Kraft mittels einer Krafterfassungseinrichtung (5) und
Steuerung der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3 , S4 , Rl, R2 , R3, R4, 23) in Abhängigkeit der von der Krafterfassungseinrichtung (5) gelieferten Signale mittels eine mit der Krafterfassungseinrichtung (5) verbundene Steuereinrichtung (22) .
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) in eine Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15), vorzugsweise lösbar, eingesetzt ist/wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mindestens eine Kammer mit einem darin verschiebbar geführten Kolben (9) umfasst.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei jeweils eine Kammer zusammen mit einem darin verschiebbar geführten Kolben (9) als Patrone (8) ausgeführt ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) eine weitere Aufnahmeeinrichtung (6) zum Einstecken der Patrone (8) aufweist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die mikrofluidische Einrichtung (2, 17) mindestens ein Ventil (20) umfasst.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei der Kolben (9) und/oder das Ventil (20) das/die Funktionselement/e bilden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei das Funktionseiement mittels der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4, Rl, R2, R3, R4 , 23) mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei als Betätigungselement ein Stößel (Sl, S2, S3, S4, Rl, R2 , R3 ,
R4 , 23) verwendet wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei die Krafterfassungseinrichtung zumindest einen Kraftaufnehmer (5) umfasst.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei die Kraft mittels eines an der Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) vorgesehenen Kraftaufnehmer (5) gemessen wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei der Kraftaufnehmer (5) mittels eines elastischen Elements (16) an der Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) abgestützt ist.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei die mikrofluidischen Einrichtung (2, 17) mittels eines weiteren elastischen Elements gegen den Kraftaufnehmer (5) abgestützt ist .
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31, wobei die Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) unter Zwischenschaltung des Kraftaufnehmer (5) auf ein Gehäuse der Vorrichtung abgestützt ist.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Aufnahmeeinrichtung (3, 13, 15) beweglich mit dem Kraftaufnehmer (5) verbunden ist.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 33, wobei die Kraft mittels mehrerer Kraftaufnehmer (5) gemessen wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 34, wobei gemessene Kraftprofile mittel einer Vergleichseinrichtung mit gespeicherten Kraftprofilen verglichen werden.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 35, wobei der Betrieb der Betätigungseinrichtung (Sl, S2, S3, S4, Rl, R2 , R3, R4, 23) in Abhängigkeit eines von der Vergleichseinrichtung ermittelten Übereinstimmungsgrads unterbrochen wird.
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