WO2011131533A1

WO2011131533A1 - Flüssigkeitssteuerung für mikrodurchflusssystem

Info

Publication number: WO2011131533A1
Application number: PCT/EP2011/055793
Authority: WO
Inventors: Andy Wende; Markus Jeziorski
Original assignee: Qiagen GmbH
Current assignee: Qiagen GmbH
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-21
Also published as: DE102010028012A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen gesteuerten Transport einer Flüssigkeit innerhalb eines Durchflusssystems, insbesondere eines Mikrodurchflusssystems. Erfindungsgemäß wird der Transport einer wässrigen Flüssigkeit in einem Durchflusssystem vor allem mit Hilfe von Pentadecan, also C₁₅H₃₂ gesteuert wird. Hierfür wird ein Durchflusssystem bereitgestellt, welches Pentadecan zur Steuerung eines Flüssigkeitstransports innerhalb des Durchflusssystems umfasst. Das Durchflusssystem wird zwecks Steuerung mit Pentadecan ganz oder teilweise geflutet.

Description

Flüssigkeitssteuerung für Mlkrodurchflusssystem Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen

gesteuerten Transport einer Flüssigkeit innerhalb eines Durchflusssystems, insbesondere eines Mikrodurchflusssystems .

Ein Mlkrodurchflusssystem ist eine Vorrichtung mit Kanälen, deren

Durchmesser kleiner als 1 mm ist. Insbesondere sind die Kanaldurchmesser maximal 150 μητι groß. Ein solches Mlkrodurchflusssystem wird in der Regel unter Anwendung von Halbleitertechniken hergestellt. Es ist daher auch bekannt, Halbleiter als Material zu wählen, um Kanäle zu fertigen. Aber auch andere Materialien wie Polymere oder Glas können eingesetzt werden. Ein Mlkrodurchflusssystem im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst dann Kanäle und Bauteile, die in ein Substrat integriert sind, Aus der Druckschrift US 7, 144,616 Bl geht ein solches Mlkrodurchflusssystem hervor,

In der pharmazeutischen Industrie werden täglich mehrere hunderttausend verschiedene Substanzen auf ihre Eignung als Ausgangsstoffe für neue

Medikamente untersucht. Derartige Anforderungen haben zur Konsequenz, dass Bedarf für Mikrodurchflusssysteme besteht, mit denen kleinste

Flüssigkeitsmengen präzise gehandhabt werden können.

Mikrodurchflusssysteme werden auch in der industriellen Verfahrenstechnik eingesetzt, um kleinste Flüssigkeitsmengen schnell und gleichmäßig miteinander zu vermischen. Auf biochemischem Gebiet werden

Mikrosysteme für die Analyse von biologischen Proben verwendet.

Mikrodurchflusssysteme sind sehr klein und werden zunehmend kleiner gebaut, Die eingesetzten Bauteile müssen entsprechend klein sein. Es besteht daher ein ständiger Bedarf an einer weiteren Miniaturisierung der verwendeten Bauteile. Sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme, zum Beispiel bekannt aus den

Druckschriften„Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski: Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample

Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem. 2004, 76, 1824-1831" sowie„R, Pal et al.: An integrated microfluidic device for Influenza and other genetic analyses, Lab Chip, 2005, 5, 1024-1032", umfassen ikrodurchflusssysteme, Es handelt sich dabei um miniaturisierte Diagnose- und/ oder Analysevorrichtungen, Solche Systeme werden auch als„LoC"-Systeme bezeichnet,

In Durchflusssystemen werden Ventile benötigt, um Stoffflüsse zu steuern und/ oder Reaktionskammern zu öffnen oder zu verschließen, Dazu werden meist mechanische Ventile (Drehventile etc) benutzt, die mechanisch bewegt werden müssen, um den Öffnungszustand zu verändern, Vielfach besteht bei Durchflusssystemen der Bedarf, eine erste Flüssigkeit dosiert einer zweiten Flüssigkeit zuzufügen, Nach dem Stand der Technik ist dafür ein entsprechendes System an Leitungen und Ventilen erforderlich, um eine solche Dosierung vorzunehmen, Ein mechanisch Ventil für das Öffnen und Schließen eines Kanals ist aus der Druckschrift JP 2006183818 A oder aus der Druckschrift US 6,981,518 B2 bekannt. Gemäß der Druckschrift US 6,981,151 B2 wird ein mechanisches Ventilelement mit Hilfe eines Hebels linear verfahren, um einen Kanal zu öffnen oder zu verschließen. Verschiedene Ventile für Mikrodurchflusssysteme werden in der Druckschrift„Chunsun Zhang et al., Micropumps, Microvalves, and micromixers within PCR microfluid Chips: Advances and trends,

Biotechnology Advances 25 (2007) 483 - 514, Elsevier" beschrieben. Einen Überblick über vorbekannte Ventile für mikrofluidische Durchflusssysteme findet sich ergänzend in J. Micromech. Microeng. 16 (2006) R13-R39, A review of microvalves, Kwang W Oh et al..

In mikrofluidischen, automatisierten Systemen müssen die verwendeten Ventile hinreichend klein dimensioniert werden, was hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Ventile stellt. Weiterhin ist die Ventilsteuerung durch Stellmotoren oder ähnliches im Betreibergerät eines solchen LoC- Systems sicherzustellen,

Speziell für den Einsatz im mikrofluidischen Bereich findet man daher im Stand der Technik alternative Ventilkonzepte, die das Öffnen bzw, Schließen von Kanälen ohne mechanische Ansteuerung gewährleisten, Bei diesen Konzepten handelt es sich um Wachs-, Paraffin-, Verfestigungs- bzw,

Vereisungsventile, Ihre Vorteile liegen in ihrer geringen Größe (sie sind quasi Bestandteil des zu kontrollierenden Kanals) und darin, dass für ihre Steuerung meist keine zusätzliche Mechanik von Nöten ist, In der Regel werden

Phasenübergänge von fest (einschließlich wachsförmig) nach flüssig und umgekehrt ausgenutzt, Derartige Venfile gehen aus den Druckschriften„Yan He et al.: Capillary-based fully integrated and automated system for nanoliter Polymerase chain reaction analysis directly from cheek cells, Journal of Chromatography A, 924 (2001 ) 271 -284", „P, Selvaganapathy*, E.T, Carlen, C.H, Mastrangelo: Electrothermally actuated inline microfluidic valve, Sensors and Actuators A 104 (2003) 275-282", "Lena Klintberg et al.: Fabrication of a paraffin actuator using hot embossing of polycarbonate, Sensors and Actuators A 103 (2003) 307 -316", "Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski:Self-Contained, Fully

Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem. 2004, 76, 1824- 1831 ",„R. Pal et al,: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyses, Lab Chip, 2005, 5, 1024-1032", "Zongyuan Chen, Jing Wang, Shizhi Qian and Haim H, Bau: Thermally-actuated, phase change flow control for microfluidic Systems, Lab Chip, 2005, 5, 1277-1285", US

2008/0056949 AI , US 2008/0112855 AI , US 2007/0227592 AI , US

2007/0231216 AI , US 2004/0007275 AI , US 2008/0314465 AI, US

2005/0247356 AI sowie US 2005/0247357 AI hervor. Es ist bekannt, ein Wachs innerhalb eines Durchflusssystems zu platzieren und dieses zu gewünschter Zeit zu verflüssigen, Eine Vereisung benötigt a bhängig vom verwendeten P uffer nachtei lhaft relativ tiefe Temperatu ren von bis zu - 20°C, bevor ein Vereisun gsventil vereist und damit schließt . Wachsventile si nd je nach Bauart nur ein - bis zweimal schaltbar und benötigen je nach Bauart eine aktive Ansteuerung über Pumpmechanismen zu m Bewegen des Wachses , Bekannte Eis- und

Wachsventile lösen nic ht das Problem der Bildung von Lufteinschlüssen bei E rstbefüiiung von mikrofl u idischen Ka nah/Kavitätssystemen , Zu r Verwendung von Wachsventilen muss zusätzlich zum Herstellungspozess der fl uidischen Kartusche noch Wachs in den entsprechenden Bereichen positioniert werden, was einen erhöhten Herstellungsaufwand bedeutet.

Es ist dem genannten Stand der Tech nik gegenüber Aufgabe der Erfindung, die Steuerung von einem mikrofluidischen Kanal weiterzuentwickeln .

Die Aufgabe der E rfi nd ung wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Transport ei ner ersten, insbesondere wässrigen Flüssigkeit in ei nem

Durchflusssystem m it H i lfe einer zweiten angrenzenden Flüssigkeit und zwar insbesondere Pentadecan , also C₁₅H₃₂ durch ganz oder teilweises F luten des Durchflusssystems gesteuert wird , Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Durchfl usssystem gelöst, welches die zweite F lüssigkeit und zwar insbesondere Pentadecan zur Steuerung eines Flüssigkeitstransports innerhalb des Durchflusssystems umfasst. Die zweite Flüssigkeit ist so ausgewählt, dass diese in der zu steuernden ersten Flüssigkeit nicht g elöst werden kann und mit der ersten F lüssigkeit nicht vermischt. Es handelt sich also bei der zweiten Flüssigkeit um eine hydrophobe Flüssigkeit, wenn die erste Flüssigkeit eine wässrige F lüssigkeit ist. Au ßerdem liegt die Temperatur der ersten Flüssigkeit, die bewirkt, dass die erste Flüssigkeit aufhört zu fließen , unterhalb der Temperatur der zweiten Flüssigkeit, d ie bewirkt, dass die zweite Flüssigkeit a ufhört zu fließen . Im Fall von Ölen ist eine solche Temperatur unter der Bezeichnung„Stockpunkt" bekannt, Verfahrensgemäß befind et sich innerhalb des Du rchflutungssystems die erste und zweite Flüssigkeit in wenigstens einem Kanal und/oder wenigstens einer Ka mmer, Die erste und die zweite Flüssig keit grenzen unm ittelba r aneina nder an . Beide Flüssigkeiten bewegen sich gemeinsam innerhalb des

Durchflusssystems, um so einen Transport bzw, eine Bewegung der ersten Flüssigkeit innerhalb des Durchfiusssystems zu erhalten . Die Bewegung der ersten F lüssigkeit wird gestoppt, indem zumindest ein Teil der zweiten

Flüssigkeit bis zu m Erreic hen der Temperatur abgekühlt wird , die bewirkt, dass die zweite F lüssigkeit aufhört zu fließen . Vorzugsweise wi rd allerdings nic ht derart abgekühlt, dass die Temperatur erreicht wird, die bewirkt, dass die erste F l üssigkeit ebenfa lls aufhört zu fließen , So wird sichergestellt, dass die erste Flüssigkeit stets fließfähig bleibt, Es kann dann besonders schnell und einfach der Transport der ersten Flüssigkeit gestoppt und begonnen oder fortgesetzt werden ,

Pentadecan ist ein wasserunlöslicher, stark hydrophober, stark benetzender Stoff mit einem Stockpunkt von 5° bis 1 0° und der somit oberhalb von

Schmelztemperaturen von wässrigen Lösungen aufhört zu fließen . Aufgrund dieser Eigenschaften ka nn mit Hilfe von Pentadecan eine wässrige F l üssigkeit durch gewünschte Bereiche des Durchflusssystems, insbesondere umfassend ein oder mehrere Kanäle und/ oder ein oder mehrere Kammern, transportiert werden, indem Pentadecan die wässrige Flüssigkeit vor sic h her schiebt oder hinter sich her zieht. Aufgru nd der stark hydrophoben E igenschaften des Pentadecans findet da bei kein oder zumindest praktisch kein Vermischen mit der wässrigen F lüssigkeit statt. Pentadecan kann zuerst einen in gewünschten Bereich des Durchflusssystems hinein gepum pt werden . Aufg rund der stark benetzenden Eigenschaften des Pentadecans gelingt dies grundsätzlich problemlos blasenfrei , Wird im Anschluss daran die wässrige Flüssigkeit in den gewü nschten Bereich gepumpt, so verdrängt die wässrige Flüssigkeit Pentadecan vollständig und befindet sich damit blasenf rei im vorgesehenen Bereich des Durchflusssystems, Anschließend kann erneut Pentadecan in den vorgesehenen Bereich h ineingepumpt werden, um nun die F l üssigkeit vollständig aus diesem Bereich herauszudrücken , Die Schritte können also reversibel du rchgeführt werden , Im Fall einer wässrigen F lüssigkeit eignen sich ebenfalls in besonderer Weise C,₆H₃₄ , also Hexadecan oder C,₄H₃₀, also Tetradecan , Hexadecan sowie Tetradecan sind bei einer Raumtemperatur von 20°C grundsätzlich

fließf ähig , Beide Flüssigkeiten verhalten sich hydrophob und erstarren bei einer Temperatur oberha lb von 0°C . Beide Flüssigkeiten weisen daher ähnliche Vorteile wie Pentadecan auf ,

Sämtliche drei Flüssigkeiten weisen gegenüber Paraffin, also einem Gemisch aus Alkanen, den Vorteil auf, nicht aus einem Gemisch von mehreren Substanzen zu bestehen , Der Stockpu nkt ist entsprechend genauer vorhersehbar, was eine genauere, erleichterte Steuerung möglich mac ht, In einer Ausführungsform liegt daher die zweite Flüssigkeit nicht als Gemisch vor,

Ein blasenfreies Befüllen , welches durch die Erfindu ng g rundsätzlic h sehr zuverlässig ermöglicht wi rd, ist insbesondere dann von Vorteil , wenn sic h solche Gaseinschl üsse in flüssigkeitsgefüllten Reaktionskammern durch Erhitzen (bs pw, Denatu rierungsschritt bei einer PCR) a usdehnen und einen enormen Druck i m gesch lossenen System erzeugen können , E in anderer Vorteil blasenf reier Befül l ung liegt darin, das zur Verfügung stehende

Reaktionsvolumen zu maximieren, um so die Effektivität zu maxi mieren ,

Soll ei n Durchfluss durc h einen Bereich hindurch gestoppt werden, so gelingt dies problemlos und schnell durch ei ne entsprechende

Temperaturabsenkung der zweiten Flüssigkeit zwecks Verfestigung, Die sich verfestigende zweite F lüssigkeit kann sich dann vor oder hinter der ersten, insbesondere wässrigen Flüssigkeit befinden, deren weiterer Transport gestoppt werden soll , Liegt zum Beispiel Pentadecan innerhalb des

Durchflusssystems in verfestigter Form vor und blockiert so den Durchfluss durch einen Bereich des Durchflusssystems, so genügt eine hinreichende Temperaturerhöhung des Pentadecans, um den entsprechenden Durchfluss (wieder) zu ermöglichen , In einer Ausführungsform wird daher eine Kammer des

Mikrodurchflusssystems mif Pentadecan gefüllt und anschließend die wässrige Flüssigkeit über einen zuführenden Kanal in die mit Pentadecan gefüllte Kammer gepumpt. Auf diese Weise kann eine Kammer eines

Durchflusssystems, insbesondere eines Mikrodurchflusssystems selbst dann blasenfrei mit der wässrigen Flüssigkeit gefüllt werden, wenn sich in der Kammer Mittel wie ein Rührelement befinden, die ein blasenfreies Befüllen erschweren,

Ein solches Durchflusssystem kann beispielsweise für die Durchführung einer PCR eingesetzt werden. Die wässrige Flüssigkeit ist dann Wasser mit den für die Durchführung einer PCR erforderlichen Inhaltsstoffen. Da eine zweite Flüssigkeit wie Pentadecan sich bei 5 bis 10°C verfestigt, kann der Transport einer wässrigen Flüssigkeit durch Verfestigen oder

Verflüssigen von Pentadecan in einer üblichen Umgebung, in der

Raumtemperatur herrscht, ohne großen Energieaufwand gesteuert werden, Problemlos und genau kann quasi automatisch ein Transport durch

Verfestigen gesteuert werden, indem ein Bereich des Durchflusssystems im Fall von Pentadecan auf eine Pentadecan - Erstarrungstemperatur gekühlt wird, eine wässrige Flüssigkeit mit Hilfe von Pentadecan insbesondere durch diesen Bereich hindurch transportiert wird, und der Transport der wässrigen Flüssigkeit gestoppt wird, indem Pentadecan in den gekühlten Bereich hinein gelangt und erstarrt, Zu diesem Zweck wird die wässrige Flüssigeit

vorzugsweise mit Hilfe von Pentadecan in den gekühlten Bereich hinein gedrückt, Der Bereich wird dann nicht derart gekühlt, dass die wässrige Flüssigkeit erstarrt, Solche Vorteile und Verfahrensschritte lassen sich auch mit solchen zweiten Flüssigkeiten erzielen, die mit Pentadecan vergleichbar sind wie Tetradecan oder Hexadecan,

Der gekühlte Bereich umfasst beispielsweise eine Kammer mit Zuführkanal, Zunächst gelangt die wässrige Flüssigkeit in den gekühlten Kanal und anschließend in die gekü hlte Kammer hinein , in Fließrichtung gesehen hinter der Flüssigkeit befindet sich Pentadecan und gelangt so schließlich ebenfalls in den geküh lten Kanal hi nein . I m gekühlten Kana l erstarrt das Pentadecan , also das C _{1 5}H₃₂. Als Folge davon stoppt der weitere Tra nsport der wässrigen F lüssigkeit, Vorzugsweise liegt die Kühltem peratur bei 0°C bis 5°C, um einerseits ein rasches Erstarren des Pentadecans herbeizuführen und andererseits ein Erstarren der wässrigen Flüssigkeit zuverlässig zu vermeiden , Um ein rasches E rstarren herbeizuführen, beträgt der

Durchmesser des Ka nals, in dem Pentadecan erstarren soll, vorzugsweise nicht mehr 1 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 600 μιη , noch bevorzugter nicht mehr a ls 1 00 μηη , Der Kanal besteht zum Beispiel aus Polykarbonat, Polypropylen oder Glas ,

Allgemein wird eine wäss rige F lüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems transportiert, indem Pentadecan in einen Bereich des Durchflusssystems hineingepumpt wird, in dem sich die wässrige F lüssigkeit befindet,

Pentadecan schiebt dan n die wässrige Flüssigkeit vor sich her, ohne sich mit dieser zu vermischen , Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Durchflusssystem, insbesondere

Mikrodurchflusssystem bereitgestellt, welches Pentadecan zur Steuerung des Transports einer Flüssig keit innerhalb des Durchflusssystems umfasst, Das Pentadecan befindet sich dann in einer Kammer und/ oder in einem Kanal des Durchflusssystems und zwar insbesondere in einem Bereich, der auf eine solche Temperatur gekühlt werden kann, dass das Pentadecan zu erstarren vermag, vorzugsweise nicht aber eine wässrige Lösung , In der Regel wird daher auf eine Plustemperatur abgekühlt, die nahe bei 0°C liegt .

Das Durchf lusssystem umfasst daher insbesondere Mittel zum Kühlen und/ oder Erwä rmen des da rin befind lichen Pentadecans , Ein Peltierelement eignet sich im Fall eines Chip artigen Aufbaus des Durchflusssystems in besonderer Weise als M itte! zum Kühlen und/ oder Erwärmen , Es kön nen aber auch andere Mittel zum Kühlen und/ oder Erwärmen eingesetzt werden, wie zu m Beispiel ein Durchfl usssystem, durch welc hes eine gekühlte oder erwärmte Flüssigkeit hindurch geleitet wird,

Alternativ oder ergänzend kann das Durchflusssystem Heiz- und Kühlmittel zur Durchführung einer PCR umfassen, um damit eine PCR durchführen zu können.

Alternativ oder ergänzend kann das Durchflusssystem ein oder mehrere Reagenzien zur Durchführung einer Analyse oder einer PCR umfassen.

Reagenzien können in Kammern des Durchflusssystems untergebracht sein und in flüssiger oder trockener Form vorliegen,

Verwendete wässrige erste Flüssigkeiten können ein Reaktionsgemisch zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation mit oder ohne vorheriger Reverser Transkription sein,

Mit Hilfe der Erfindung kann eine PCR oder eine isothermale Amplifikation (bspw. RPA, HDA, EXPAR) durchgeführt werden, wie diese aus den

Druckschriften„Myriam Vincent, Yan Xu & Huimin Kong, Helicase-dependent isothermal DNA ampiification, EMBO reports VOL 5 , NO 8, 2004, S, 795", „Olaf Piepenburg, Colin H, Williams, Derek L, Stemple, Niall A, Armes, DNA Detection Using Recombination Proteins, PLoS Biology, July 200ό, Volume 4, Issue 7, e204", „Jeffrey Van Ness, Lori K, Van Ness, and David J, Galas, Isothermal reactions for the ampiification of oiigonucleotides, 4504-4509, PNAS, April 15, 2003, Vol. 100, No. 8" bekannt sind,

Die benötigten wässrigen Gemische, also erste Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung können im Wesentlichen enthalten:

- Puffersubstanzen zur pH-Wert-Stabilisierung,

- Salze zur Einstellung eines für die verwendeten Enzyme günstigen Milieus,

- Enzyme wie DNA-Polymerase, Reverse Transkriptase, Restriktionsenzyme, Helicase, Recombinase etc.,

- Koenzyme/Kofaktoren wie ATP, NADH, - Ausgangsstoffe der enzymatischen Reaktion (passende Oligonukleotide, Nukleotidtriphosphafe),

- die Reaktion unterstützende Stoffe wie DMSO, Betain, PEG etc., Wässrige Gemische, die eine Nachweisreaktion eines Analyten ermöglichen und die eine erste Flüssigkeit im Sinne der Erfindung sein können, können enthalten:

- Puffersubstanzen und Salze wie oben beschrieben,

- Analyten (Proteine, Nukleinsäuren),

- Sonden (TaqMan-Sonden, Hybridisierungssonden (beides Oligonukleotide), markierte und unmarkierte Antikörper),

- weitere eine Detektion der Analyten ermöglichende Stoffe wie Antikörper, Enzyme (Alkalische Phosphatase, Meerrettich-Peroxidase etc.), fluoreszente Proteine wie bspw. Phycoerythrin).

Sonstige wässrige bzw, auf kurzkettigen Alkoholen (Methanol, Ethanol,

Propanol) basierenden Mischungen an Stoffen, die miteinander zur Reaktion gebracht werden sollen, sowie dazu notwendigen Hilfsstoffe können erste Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung sein, die insbesondere auf dem Gebiet der Mikroreaktionstechnlk eingesetzt werden.

Im Prinzip können alle vorgenannten Mischungen sowie einzelne

Komponenten dieser Mischungen in flüssiger oder trockener Form in ein oder mehreren Kammern des Durchflusssystems bereits vom Hersteller

untergebracht worden sein,

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher verdeutlicht.

Figur 1 zeigt eine nicht befüllte, aus Polykarbonat bestehende

Mikroreaktionskammer 1 eines Mikrodurchflusssystems, Das Durchflusssystem wurde durch einen aus einem Polykarbonat gefertigten Chip gebildet, der mit einer aus Polykarbonat bestehenden Folie geeignet verschlossen wurde, Die Kanaldurchmesser betrugen 600 μηη. Die Kammer wies eine

Ausdehnung von 7,5 mm mal 21 mm auf. Über den am oberen Seitenrand befindlichen zuführenden Kanal 2 wurde die Kammer mit gefärbtem

Pentadecan gefüllt und so geflutet, was trotz des Rührelements 4 in der Kammer 1 absolut blasenfrei gelang, wie die Figur 2 verdeutlicht. Nun wurde, wiederum über den zuführenden Kanal 2, (anders gefärbtes) Wasser in die mit Pentadecan gefüllte Kammer 1 gepumpt. Pentadecan floss daraufhin durch den abfließenden Kanal 3 aus der Kammer 1 heraus. Dieser Vorgang führte zu einem vollständigen Austausch des Pentadecans durch das Wasser, wie die Figur 3 zeigt. Die Reaktionskammer 1 wurde also blasenfrei mit einer wässrigen Flüssigkeit gefüllt. Handelt es sich bei der wässrigen Flüssigkeit um eine Mischung zur

Durchführung einer PCR, so kann die mit der wässrigen Flüssigkeit gemäß Figur 3 gefüllte Kammer den bekannten, PCR-fypischen Temperaturprofilen unterworfen werden, um Nukleinsäuren zu amplifizieren, Abschließend wurde das Wasser wieder mit Pentadecan aus der

Mikroreaktionskammer 1 herausgedrückt, was einem Weitertransport des Reaktionsgemisches aus der Kammer in eine andere Kavität entspricht, Dieser Austausch erfolgte wiederum gemäß Figur 4 vollständig und

blasenfrei.

Das beschriebene Ausführungsbeisplel belegt, dass Pentadecan, welches reproduzierbar in der Lage ist, mikrofluidische Reaktionskammern vollständig und blasenfrei zu befüllen, vollständig mit einem wässrigen Puffer aus der Kammer verdrängt werden kann, Dieser Prozess ist reversibel, denn das Ausführungsbeispiel zeigt weiterhin die nachfolgende Verdrängung des eingeführten wässrigen Puffers aus der Reaktionskammer 1 mit Hilfe von Pentadecan. In einem zweiten Ausführungsbeispiei wurde demonstriert, dass der Fluss eines wässrigen Mediums in einem in Figur 5 gezeigten, mit Pentadecan gefluteten Kanalsystem mit offenen Anschlüssen 5 bis 10 durch vorheriges Abkühlen von definierten Kanalabschnitten exakt lenkbar ist, Das in der Figur 5 gezeigte, aus Kanälen gebildete Durchflusssystem bestand wiederum aus einer Basis aus gefrästem Polykarbonat, die mit einer aus Polypropylen bestehenden Folie verschlossen wurde. Der Kanaldurchmesser lag erneut bei 600 μίπ. Das Kanalsystem war 70 mm breit (von 6 nach 9) und 50 mm hoch (von 5 nach 7). Die gefüllten Kanäle sind in der Figur 5 mit schwarzen

Strichen veranschaulicht. Anschließend wurde die Flussrichtung von gefärbtem Wasser durch mit Eis/H20-gefüllte, auf Kanälen platzierte

Röhrchen gesteuert. Die Röhrchen 12, 13, 14, 15 wurden wie in der Figur 6 gezeigt oberhalb der Kanäle aufgesetzt, die unmittelbar zu den Anschlüssen 6, 7, 9 und 10 führen. Die Kanäle wurde so auf nahe 0°C abgekühlt. Das Wasser wurde daraufhin in den Anschluss 5 hinein gepumpt und trat beim Anschluss 8 aus dem gezeigten Mikrodurchflusssystem wieder heraus.

Dabei wurde das gefärbte Wasser - wie in der Figur 6 gezeigt - in zwei für den Fluidfluss sehr unvorteilhaften 90°-Winkeln gelenkt. Dies belegt, dass das Einfrieren von Pentadecan zu einem robusten Verschließen beliebig auswählbarer Kanäle führt.

Das nachfolgend beschriebene dritte Ausführungsbeispiel demonstriert ein „automatisches Abmessen" von Flüssigkeitsvolumina bei

Befüllungsvorgängen und beweist, dass dies selbst mit einfachsten

Hilfsmitteln machbar ist.

Ein Mikrodurchflusssystem wurde auf Eis gelagert, um den in der Figur 7 gezeigten zuführenden Kanal 2 für Pentadecan „unpassierbar" zu machen, Über diesen zuführenden Kanal wurde dann mit Hilfe einer Mikropipette manuell eine zweiphasige Flüssigkeit in die dahinteriiegende Mikroreaktionska mmer 1 gef üllt, Die beiden Phasen wa ren violett gefärbtes Wasser (untere Phase) sowie blau gefärbtes PD (obere Phase) . Beide

Flüssigkeiten wurden in die Pipettenspitze angesaugt und ohne abzusetzen oder zu unterbrechen i n den Kanal 2 gepumpt, Die Befüllung der

Reaktionskam mer stoppte, sobald das Pentadecan in den eisgekühlten Kanal 2 gelangte, obwohl der Befüllungsdruc k mit Hilfe der (vlikropipetfe aufrecht erhalten bzw, erhöht wurde, ohne dass blaues PD die

Reaktionskammer erreichen konnte . Pentadecan gelangte lediglich bis zu der in der Figur 7 gezeigten Kühlstel le 1 1 ,

Zur Überprüfung des vo rhandenen Ü berdrucks wurde die Öffnung der

Pi pettenspitze am Ende des Pumpvorgangs vom Kanaleingang entfernt, was zum schlagartigen Auslaufen der Restflüssigkeit füh rte . Nach Beendigung des Versuchs war die Reaktionskammer mit Wasser gefüllt (beispielhaft für eine beliebige Reaktionslösung) . Die Befüllung stoppte automatisch in dem Moment, als das Wasser vollständig in die Kammer gepumpt wurde und sich dad urch der davor liegende Kanal mit Pentadecan füllte , In diesem Moment endete der Bef üllvorgang ohne irgendeine weitere Intervention (bspw. Ansteuern eines mechanischen Ventils oder Stoppen der Pumpe) .

Neben der Möglichkeit, die Flussrichtung eines Fluids zu lenken, ist es mit dem verwendeten Pentadecan also möglich, den Transport einer wässrigen Lösung zwischen versc hi edenen Kavitäten eines geschlossenen Systems, beispielsweise von Wasser zum Beispiel zum Rücklösen von getrockneten Reagenzien, automatisc h zu stoppen , sobald die wässrige Flüssigkeitsfront einen gewünschten gekühlten Bereich oder eine gewünschte gekühlte Stelle eines Durchflusssystems vollständ ig passiert hat, Das dem Wasser

nachfolgende Pentadecan verändert seinen Aggregatzustand von flüssig auf fest, sobald es den gekühlten Bereich oder die gekühlte Stelle erreicht und unterbindet so den weiteren F luss der wässrigen Phase wirkungsvoll . Diese Eigenschaft erlaubt es, Flüssigkeitsvolumina ohne aufwendige Messverfahren exakt abzumessen und somit Kavitäten sehr genau und reproduzierbar mit einer Arbeitsflüssigkeit zu füllen .

Die beschriebene Ventiltechnik u mgeht mehrere Nachteile des Standes der Technik und löst diverse Probleme der wachsbasierten Ventiltechnik.

Zusammenfassend werden folgende Vorteile erzielt : · Die Schließtem peratur (Sch melztemperatur der Ka nalfüllung) de s F l uid gefüllten Kanals ist unabhängig vom verwendeten wässrigen Analysepuffer, was damit ausgestattete Mikrodurc hflusssysteme beherrschbarer und leichter validierbar macht, · Die Schließtemperatur liegt erheblich höher als jene von Eisventilen (i n jedem Fall über 0°C ), was ein schnelleres Schließen , des Kanals erlaubt,

» Die Wärmekapazität des Phasenübergangs ist mindestens 30% geringer als beim Wasser-Eis-Übergang, was ebenfalls dazu fü hrt, dass der Phasenwechsel schneller erfolgen kann als mit Wasser,

• Das erfindungsgemäße Ventil ist beliebig oft schaltbar, da der zu

schaltende Kanal i mmer wieder mit einer zweiten F lüssigeit bef üllbar ist. » Der technische Aufwand zum Öffnen und Schließen eines Ventils ist erheblich geringer als konventionelle Ventiltechnik m it Ventilkörpern und Stellmotoren , Er ist auch geringer als der Aufwand zur Ansteuerung von zum Beispiel zweimal schaltbaren Wachsventilen nach Stand der Technik.

• Der Herstellungsaufwand ist erheblich geringer, da im

Produktionsprozess ein Einbringen von Wachs in den Ventilbereich, wie es bei herköm m lic hen Wac hsventilen zwingend notwendig ist, entfä llt, Das mikrofluidische Durchflusssystem wird insbesondere vor dem Befüllen mit einer ersten Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit befüllt, Handelt es sich bei der zweiten Flüssigkeit um eine stark benetzende Flüssigkeit, sorgt dieser„Priming" Prozess für eine reproduzierbar Lufteinschluss-freie Befüllung des Durchflusssystem.

Das Bewegen eines nicht mischbaren zweiphasigen Flüssigkeitskörpers erlaubt ein exaktes Befüllen von avitäten, da der Fluidfluss nach Passage des Anteils der ersten Flüssigkeit an einem kühl geschalteten Ventilpunkt zum Erliegen kommt. Dies erlaubt ohne aufwendige

Messverfahren bzw. online-Fluidflusskontrollen im Durchflusssystem ein exaktes Abmessen der bewegten Flüssigkeitsmenge.

Soweit Vorteile und Verfahrensschritte am Beispiel Pentadecan und wässrige Flüssigkeit beschrieben wurden, lassen sich diese Vorteile und

Verfahrensschritte auch mit anderen Flüssigkeitspaaren erzielen, die sich untereinander vergleichbar verhalten, also insbesondere nicht miteinander mischbar sind.

Die erste Flüssigkeit kann in der zweiten Flüssigkeit dispergiert werden. Wird ein Anteil der zweiten Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems gesteuert transportiert, so wird der darin dispergierte Anteil der ersten Flüssigkeit ebenfalls entsprechend gesteuert transportiert. Es ist so also möglich, mit Hilfe der zweiten Flüssigkeit Anteile der ersten Flüssigkeit gesteuert zu transportieren,

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung des Transports einer ersten, insbesondere

wässrigen Flüssigkeit in einem Durchflusssystem (1, 2, 3), insbesondere in einem Mikrodurchflusssystem, gemäß dem die Steuerung des Transports der ersten Flüssigkeit in dem Durchflusssystem mit Hilfe einer zweiten Flüssigkeit, insbesondere Pentadecan erfolgt, wobei die erste Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit nicht mischbar ist und das Durchflusssystem mit der zweiten Flüssigkeit zumindest teilweise geflutet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammer (1) des Mikrodurchflusssystems mit der zweiten Flüssigkeit gefüllt wird und anschließend die erste Flüssigkeit über einen zuführenden Kanal (2) in die mit der zweiten Flüssigkeit gefüllte Kammer (1) gepumpt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Flüssigkeit eine wässrige Mischung zur Durchführung einer PCR ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der

Transport einer ersten Flüssigkeit durch Verfestigen oder Verflüssigen der zweiten Flüssigkeit gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die

Temperatur, bei der die erste Flüssigkeit aufhört zu fließen, tiefer ist als die Temperatur, bei der die zweite Flüssigkeit aufhört zu fließen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein

Bereich (11) des Durchflusssystems (1, 2, 3) auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der die zweite Flüssigkeit aufhört zu fließen, eine erste Flüssigkeit mit Hilfe der zweiten Flüssigkeit transportiert wird, und der Transport der ersten Flüssigkeit gestoppt wird, indem die zweite Flüssigkeit in den gekühlten Bereich hinein gelangt und erstarrt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems (1, 2, 3) transportiert wird, indem die zweite Flüssigkeit in einen Bereich des Durchflusssystems hineingepumpt wird, in dem sich die erste Flüssigkeit befindet.

8. Durchflusssystem, insbesondere Mikrodurchflusssystem (1, 2, 3) umfassend Tetradecan, Pentadecan oder Hexadecan zur Steuerung des Transports einer Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssysfems.

9. Durchflusssystem nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch mit Mitteln zum Kühlen und/ oder Erwärmen des Tetradecans, Pentadecans oder Hexadecans.

10. Durchflusssystem nach einem der vorhergehenden

Vorrichtungsansprüche umfassend Heiz- und Kühlmittel zur Durchführung einer PCR und zwar insbesondere ein Peltierelement.

11. Durchflusssystem nach einem der vorhergehenden

Vorrichtungsansprüche umfassend ein oder mehrere Reagenzien zur Durchführung einer Analyse oder einer PCR.