WO2012045754A1

WO2012045754A1 - Verfahren zum waschen einer mikrofluidischen kavität

Info

Publication number: WO2012045754A1
Application number: PCT/EP2011/067341
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Stoeters; Ying Yu; Silke Knoll
Original assignee: Boehringer Ingelheim Microparts Gmbh
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2012-04-12
Also published as: US20140150890A1; JP2013539044A; JP6015659B2; EP2624954B1; US9089883B2; EP2624954A1; ES2821373T3; DK2624954T3

Abstract

Verfahren zum Waschen einer Kavität in einem mikrofluidischen Bauteil und mikrofluidisches Bauteil zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Waschen wenigstens einer Kavität (20') in einem mikrofluidischen Bauteil, wobei in der Kavität (20') eine erste Flüssigkeit (F1) enthalten ist und der Kavität (20') wenigstens eine zweite Flüssigkeit (F2) zum Waschen zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird der Kavität (20') vor Zuführung der Waschflüssigkeit (F2) eine Luftblase (L) zugeführt. Durch die Luftblase (L), welche quasi als Sperrschicht zwischen der ersten Flüssigkeit (F1) und der nachfolgenden Waschflüssigkeit (F2) wirkt, ist eine deutliche Erhöhung der Wascheffizienz möglich. Insgesamt führt dieses Verfahren zu einer Einsparung an Waschflüssigkeit (F2) und Waschzeit. Außerdem wird ein mikrofluidisches Bauteil zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Description

Verfahren zum Waschen einer mikrofluidischen Kavität

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Waschen einer Kavität in einem mikrofluidischen Bauteil. Die Erfindung betrifft auch ein mikrofluidisches Bauteil zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

In den letzten Jahren hat die Bio- und Gentechnologie enorm an Bedeutung gewonnen. Eine Grundaufgabe dieser Technologie ist der Nachweis von biologischen Molekülen wie DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA (Ribonukleinsäure), Proteinen, Polypeptiden, etc. Dabei sind für viele medizinische Anwendungen insbesondere Moleküle, in denen Erbgutinformationen codiert sind, von besonderem Interesse. Durch ihren Nachweis, beispielsweise in einer Blutprobe eines Patienten, können unter anderem Krankheitserreger nachgewiesen werden, wodurch dem Arzt die Stellung einer Diagnose erleichtert wird.

In der Bio- und Gentechnologie finden dabei zunehmend mikrofluidische Bauteile bzw. mikrofluidische Cartridges Anwendung.

Mikrofluidische Cartridges werden vielfältig in Form von Einmaltests eingesetzt, wobei in der Regel so genannte Lateral Flow Cartridges Verwendung finden, deren Bauteile Längen- und Breitenmessungen aufweisen, die einige Millimeter bis Zentimeter betragen.

Zur Durchführung von Tests wird einer mit einem Biosensor versehenen Cartridge eine zu testende Analyseflüssigkeit (z. B. Blut, Urin oder Speichel) zugeführt. Die Probenzugabe zur Cartridge erfolgt vor oder nach dem Einsetzen der Cartridge in ein Analysegerät. Die Zugabe des Analyten erfolgt in einer Öffnung der Cartridge, wobei die Flüssigkeit durch Mikrokanäle entsprechenden Probeaufbereitungskammern und Probeuntersuchungskammern zugeführt wird.

Der Begriff„Mikro" soll implizieren, dass die Kanäle und/oder Kavitäten (Kammern) zumindest in einer geometrischen Ausdehnungsrichtung eine Dimension im Mikrometermaßstab aufweisen, d. h. die Abmaße in mindestens einer Dimension weniger als einen Millimeter betragen.

Unter dem Begriff„mikrofluidisch" wird verstanden, dass ein druckinduzierter und/oder kapillarer Flüssigkeitsfluss durch und in den Mikrokanälen und/oder Mikrokavitäten erfolgt. Unter dem Begriff „mikrofluidisches Bauteil" wird ein Bauteil verstanden, welches wenigstens derartige Mikrokanäle bzw. Mikrokavitäten für die Speicherung und den Transport von Flüssigkeiten bzw. Fluiden und Gasen aufweist.

Unter dem Begriff„mikrofluidische Cartridge" wird eine (ggf. aus mehreren mikrofluidischen Bauteilen bestehende) Vorrichtung für die Analyse von Flüssigkeiten verstanden.

Der Nachweis von geringen Konzentrationen biologischer und anorganischer Substanzen in biologischen Proben ist häufig schwierig. Die Tests (Assays) für diese Art von Nachweis in mikrofluidischen Cartridges sind in der Regel mit mehreren Verfahrensschritten verbunden, die das Binden eines primären Antikörpers, mehrfache Waschschritte, das Binden eines zweiten Antikörpers, weitere Waschschritte, sowie (in Abhängigkeit von der Art des Nachweissystems) ggf. zusätzlich enzymatische und Waschmaßnahmen einschließen.

Die Anzahl an Schritten, die üblicherweise bei der Verwendung von derartigen mikrofluidischen Cartridges zur Erlangung eines gewünschten, spezifischen Signals benötigt werden, sind zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Der Bedarf bei modernen mikrofluidischen Cartridges zielt jedoch auf eine Verkürzung in der Messzeit zwischen Aufgabe der Probenflüssigkeit und letztendlich dem Erscheinen des Messwertes ab. Verlängert wird diese Zeit durch häufig durchzuführende Waschschritte, die jedoch zumeist erwünscht und notwendig sind, um die Sensitivität zu erhöhen und Hintergrundwerte zu verringern.

Bei ei nem Waschschritt einer Kam mer wird üblicherweise eine in die Kammer zuvor eingebrachte Flüssigkeit (beispielsweise Reaktionsflüssigkeit) durch eine direkt darauf folgend in die Kammer eingebrachte Waschflüssigkeit herausgewaschen. Konkret wird eine Menge an Waschflüssigkeit durch die Kammer geleitet, wobei sich die aus der Kammer zu waschende Flüssigkeit mit der Waschflüssigkeit vermischt (Diffusion) und mit der Waschflüssigkeit aus der Kammer entfernt wird.

Da der Waschprozess in einem mikrofluidischen System in der Regel in Form einer laminaren Strömung ohne nennenswerten turbulenten Anteil abläuft, wird insbesondere in den Eckbereichen von Kammern die wegzuwaschende Flüssigkeit von der Waschflüssigkeit nicht ausreichend erfasst. Dadurch verbleiben Rückstände in der Kammer. Dies erfordert zumeist eine mehrfache Wiederholung von Waschschritten, was jedoch hinsichtlich der Erzielung einer mögl ichst kurzen M esszeit kontraprodu ktiv ist. Zudem trei bt dies den Bedarf an Waschflüssigkeit und damit auch den Platzbedarf für Reservoir und Waste in die Höhe, was in einem volumenminimierten mikrofluidischen System unerwünscht ist.

Aus der DE 697 37 857 T2 beispielsweise geht hervor, dass die Notwendigkeit von mehreren Waschschritten aus dem Stand der Techni k bekannt ist und als zeitaufwändig und arbeitsintensiv angesehen wird.

Auch der DE 601 31 662 T2 ist zu entnehmen, dass Waschschritte zwar häufig notwendig sind, jedoch die Messzeit bei mikrofluidischen Cartridges verlängern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Waschen einer Kavität in einem mikrofluidischen Bauteil bereitzustellen, bei dem die Effizienz der

Waschung erhöht wird. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zu Grunde, ein mikrofluidisches Bauteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.

Die Erfindung geht daher aus von einem Verfahren zum Waschen wenigstens einer Kavität in einem mikrofluidischen Bauteil, wobei in der Kavität eine erste Flüssigkeit enthalten ist und der Kavität wenigstens eine zweite Flüssigkeit zum Waschen zugeführt wird.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Kavität vor Zuführung der Waschflüssigkeit ein Gas zugeführt wird. Durch diese "Vorwaschung" ist es möglich, dass der Bedarf an nachfolgend zuzuführender Waschflüssigkeit, die notwendig ist, um eine jeweils gewünschte Verminderung der Restkonzentration der auszuwaschenden Flüssigkeit in der Kavität herbeizuführen, deutlich gesenkt werden kann. Der Bedarf an Waschflüssigkeit kann also verringert werden und unter Umständen ist auch eine Reduzierung der Waschzeit bzw. von Waschritten möglich.

Hierbei ist es sehr zweckmäßig, wenn das Gas in Form einer Blase, also mit definiertem

Volumen durch die Kavität geleitet wird. Dies ermöglicht eine Verwirklichung des Verfahrens in einem mikrofluidischen Bauteil bzw. einer mikrofluidischen Cartridge auch ohne einen externen Gasanschluss, so dass beispielsweise die Gasblase mit definiertem Volumen in einer Kavität des mikrofluidischen Bauteils selbst vorgesehen sein kann.

Im Hinblick auf die notwendige Reduzierung von Platz- und Materialbedarf ist es sehr zweckmäßig, wenn dabei die Gasblase ein Volumen aufweist, welches kleiner ist als das Volumen der Kavität. Selbstverständlich ist das Volumen dabei dennoch ausreichend groß für ein effizientes Waschen zu wählen. Zweckmäßigerweise wird daher als Volumen der Gasblase in etwa 40 % bis 60 %, vorzugsweise in etwa 50 % des Volumens der auszuwaschenden Kavität gewählt. Dies reduziert den Bedarf an zu bevorratendem Gas erheblich, reicht dennoch vollkommen aus, um die gewünschte Funktionalität bzw. Wirkung zu erzielen.

Die Gasblase breitet sich nämlich beim Einleiten in die zu waschende Kavität mittels Überdruck kontinuierlich aus und wird sofort so breit, dass sie die Seitenwände der Kavität berührt. Somit kann sie einen Großteil der in der Kavität befindlichen, auszuwaschenden Flüssigkeit durch eine in der Kavität vorzusehende Ausgangsöffnung hindurch verdrängen. Nachfolgende Waschflüssigkeit wiederum verdrängt die Gasblase ebenfalls in Richtung der Ausgangsöffnung. Die Gasblase funktioniert so quasi wie eine Sperrschicht zwischen der ersten,

auszuwaschenden Flüssigkeit und der nachfolgenden Waschflüssigkeit. Schließlich wird die Gasblase vollständig von der Waschflüssigkeit aus der Kavität herausgedrückt.

Dadurch, dass die auszuwaschende Flüssigkeit bereits durch die Gasblase zu einem sehr hohen Prozentsatz aus der Kavität verdrängt wurde, kann die Waschflüssigkeit einen gegebenenfalls noch verbleibenden, geringen Restanteil an auszuwaschender Flüssigkeit durch Diffusion gut aufnehmen und bei Weitertransport aus der Kavität mit hinaustragen. Unter Umständen ist somit bereits ein einziger Waschschritt zur Erzielung einer gewünschten

Restkonzentration ausreichend.

Obwohl selbstverständlich viele Gase (wie beispielsweise Stickstoff oder Edelgase) infrage kommen, ist Luft als einzusetzendes Gas sehr zweckmäßig, weil es kostengünstig und technisch einfach bereitzustellen ist.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, wenn die Zuführung von Gas bzw. Luft und anschließender Flüssigkeit zum Waschen mehrmals wiederholt wird.

We bereits erwähnt, möchte die Erfindung auch ein mikrofluidisches Bauteil zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitstellen.

Hierbei geht die Erfindung aus von einem mikrofluidischen Bauteil, enthaltend wenigstens eine erste Kavität, welche mit einer Flüssigkeit zum Waschen wenigstens einer zweiten Kavität gefüllt ist und Mittel zur Herstellung einer fluidischen Verbindung zwischen der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Kavität. Erfindungsgemäß ist nun in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen wenigstens eine weitere Kavität zwischen der ersten und der zweiten Kavität angeordnet, welche mit einem Gas befüllt ist.

Wird nun die die Waschflüssigkeit enthaltende Kavität mit einem Druck beaufschlagt so strömt die Waschflüssigkeit in Richtung der das Gas enthaltenden Kavität und drückt ggf. erst nach Freigabe einer entsprechenden fluidischen Verbindung (beispielsweise mittels entsprechender Ventile) die Gasblase vor sich her, in die auszuwaschende Kavität hinein.

Zur Reduzierung des Platzbedarfs für die vorzuhaltende Kavität bzw. zur Reduzierung des Gasbedarfs ist es dabei sehr zweckmäßig, wenn die wenigstens eine weitere, mit Gas befüllte Kavität ein Volumen aufweist, welches kleiner ist, als das Volumen der wenigstens einen zweiten, zu waschenden Kavität. Denn es hat sich gezeigt, dass auch ein deutlich kleineres Gasvolumen als das Volumen der zu waschenden Kavität bereits ausreicht, um die gewünschte Wrkung zu erzielen.

Es hat sich dabei als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen der mit Gas befüllten Kavität wenigstens jeweils ein Ventil vor- und wenigstens ein Ventil nachgeschaltet ist. Hierdurch können unerwünschte Gas- bzw. Flüssigkeitsströmungen ausgeschlossen werden. Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn die Ventile ansteuerbar sind.

Hierdurch kann die Strömung der Flüssigkeit bzw. vom Gas noch besser kontrolliert werden, wodurch unter anderem auch die Gefahr unerwünschter Blasen- bzw. Schaumbildung verringert werden kann. Eine Ansteuerung lässt sich vorzugsweise mittels elektrischer Signale bzw.

Impulse durchführen. Im Gegensatz zu ansteuerbaren Ventilen wären auch nicht ansteuerbare Ventile denkbar, bei denen also lediglich eine Öffnung bei Überschreiten eines bestimmten Grenzdruckes erfolgen würde.

Zur Erhöhung der Wascheffizienz ist es ferner denkbar, alternativ oder in weiterer

Ausgestaltung der Erfindung die zu waschende Kavität derart auszugestalten, dass diese in Strömungsrichtung einen ersten Abschnitt aufweist, in dem sich ihr Querschnitt kontinuierlich erweitert und einen zweiten Abschnitt, in dem sich der Querschnitt der Kavität wieder kontinuierlich verjüngt. Zwischen diesen Abschnitten mit sich veränderndem Querschnitt ist dann zweckmäßigerweise ein Abschnitt mit konstantem Querschnitt angeordnet. Dabei sollten zweckmäßigerweise der erste Abschnitt in Strömungsrichtung gesehen im Bereich der

Eingangsöffnung und der zweite Abschnitt im Bereich der Ausgangsöffnung angeordnet sein. Es können Anwendungsfälle auftreten, in denen es vorteilhaft ist, wenn die mit Gas befüllte Kavität mit wenigstens einem weiteren Gasreservoir fluidisch verbindbar ist. Auch hier kann zur Freigabe bzw. Unterbrechung einer fluidischen Verbindung zweckmäßigerweise ein

ansteuerbares Ventil vorgesehen sein.

Auf diese Weise ist es möglich, mit dem mikrofluidischen Bauteil bzw. der mikrofluidischen Cartridge die beschriebenen Schritte (Einleitung einer Gasblase in die zu waschende Kavität - Herausdrücken der Gasblase durch nachfolgende Waschflüssigkeit) bei Bedarf mehrmals zu wiederholen.

Zweckmäßigerweise wird auch hier als Gas Luft verwendet, wobei die Umgebungsluft als weiteres Gasreservoir Verwendung finden kann.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von

Ausführungsbeispielen deutlich, was mit Hilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert werden soll. Dabei bedeuten

Fig. 1 eine prinziphafte Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäßen

mikrofluidischen Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine prinziphafte Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäßen

mikrofluidischen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3a eine prinziphafte Einzeldarstellung einer Kavität, welche gewaschen wird, in einer ersten Ausführungsform,

Fig.3b eine prinziphafte Einzeldarstellung einer Kavität, welche mit einer

Waschflüssigkeit gewaschen wird, in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 eine prinziphafte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer Kavität gemäß Fig. 3b.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines mikrofluidischen Bauteilsl ersichtlich. Konkret sind mehrere mikrofluidische Funktionselemente ersichtlich, welche der Darstellung halber einer mikrofluidischen Funktionsgruppe 90 (gestrichelt umrandet) zugeordnet werden sollen. Die mikrofluidische Funktionsgruppe 90 umfasst eine erste, mit Waschflüssigkeit F2 gefüllte, vorzugsweise kreisrunde Kammer 10. Weiterhin ist eine zweite, in etwa rechteckförmige Kammer 20 ersichtlich, welche mit einer Flüssigkeit F1 gefüllt ist.

Die Flüssigkeit F1 hat in der Kammer 20 eine bestimmte Nachweisreaktion ausgelöst. Ein Teil der in F1 enthaltenen Biomoleküle ist in der Kammer 20 gebunden. Nun soll der Rest von F1 mit der Waschflüssigkeit F2 aus der Kammer 20 herausgewaschen werden. Die Kammer 20 kann bspw. eine PCR-Kammer (PCR= Polymerase Kettenreaktion) sein. Die Art der in der Kammer 20 durch die Flüssigkeit F1 hervorgerufenen Nachweisreaktion ist jedoch für das Verständnis der Erfindung nicht weiter von Belang und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden.

Zwischen der Kammer 10 und der Kammer 20 ist eine weitere Kammer 30 angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel mit Luft L gefüllt ist. Statt Luft können selbstverständlich auch andere Gase, beispielsweise Stickstoff oder Ähnliches Verwendung finden. Die Kammern 10, 20 und 30 sind mittels Mikrokanälen 40 fluidisch miteinander verbunden, wobei zwischen den Kammern 10 und 30 bzw. 30 und 20 jeweils ein vorzugsweise elektrisch ansteuerbares Ventil 50a bzw. 50b vorgesehen ist, mit dem die fluidische Verbindung freigebbar bzw. unterbrechbar ist.

Weiterhin ist ein weiterführender Mikrokanal 80 vorgesehen, mit dem die fluidische Verbindung von der Kammer 20 zu anderen, nicht näher dargestellten mikrofluidischen

Funktionselementen, z.B. einem Waste-Bereich herstellbar ist.

Aus der Fig. 1 ist auch ersichtlich, dass die mit Luft gefüllte Kammer 30 mit einem Mikrokanal 60 verbunden ist. Der Mikrokanal 60 stellt eine fluidische Verbindung der Kammer 30 zu einem weiteren Gasreservoir her. Auch hier kann die fluidische Verbindung mittels eines vorzugsweise elektrisch ansteuerbaren Ventils 70 unterbrochen bzw. freigegeben werden. Das erwähnte Gasreservoir selbst kann durch ein oder mehrere weitere Kavitäten bzw. Kammern (nicht dargestellt) realisiert werden.

Bei Verwendung von Luft in der Kammer 30 bietet es sich an, auch das über dem Mikrokanal 60 zugängliche Gasreservoir mit Luft zu befüllen bzw. über den Mikrokanal 60 lediglich einen Zugang zur Umgebungsluft bzw. zu einer Luftpumpe (nicht dargestellt) zu schaffen. Nicht näher dargestellt bzw. beziffert ist eine mit dem Bauteil 1 vorzugsweise durch Klebung verbundene Folie zur Deckelung bzw. Abdichtung der erwähnten Kammern und Kanäle. Das Bauteil 1 selbst ist eine Kunststoffplatte, die vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt ist.

Zur Auslösung eines Waschvorgangs wird nun die Kammer 10 im Anwendungsbeispiel mit einem Druck von in etwa 0,4 bar bis 0,8 bar beaufschlagt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels geeigneter Aktoren einer mikrofluidischen Cartridge, in die das Bauteil 1 verbaut ist (nicht dargestellt).

Gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung erfolgt eine Ansteuerung der Ventile 50a und 50b, welche somit die fluidische Verbindung zwischen den Kammern 10, 20 und 30 freigeben. Durch den Druckaufbau wird nun die Waschflüssigkeit F2 in Strömungsrichtung S in die Kammer 30 hineingedrückt und drückt die in der Kammer 30 befindliche Luft L ebenfalls in

Strömungsrichtung S vor sich her, in Richtung der Kammer 20. In die Kammer 20 wird somit vor der Waschflüssigkeit F2 zunächst die Luft L in Form einer definierten Luftblase hineingedrückt. Dies führt zu einer sehr effizienten "Vorwaschung" der Kammer 20. Konkret wird bereits durch die Luft L ein Großteil der in der Kammer 20 befindlichen Flüssigkeit F1 bereits verdrängt, so dass die auf die Luftblase L folgende Waschflüssigkeit F2 lediglich die verbleibenden Reste an Flüssigkeit F1 aus der Kammer 20 entfernen muss.

Zumindest kann auf diese Weise der Bedarf an vorzuhaltender Waschflüssigkeit F2, welcher zur Erzeugung einer geforderten, in der Kammer 20 maximal zu verbleibenden Restmenge an Flüssigkeit F1 nötig ist, deutlich reduziert werden.

Sollte ein einmaliger Waschvorgang nicht ausreichend sein, so ist denkbar, den geschilderten Waschvorgang in gewünschter Anzahl zu wiederholen. Das Ventil 50a wird hierzu wieder geschlossen. Alsdann wird das Ventil 70 geöffnet und eine fluidische Verbindung zwischen der Kammer 30 zum erwähnten Luftreservoir freigegeben.

Auf diese Weise kann die Kammer 30 wieder mit Luft L gefüllt werden, z.B. durch eine Pumpe. Nach Schließen des Ventils 70 erfolgt wieder ein Öffnen des Ventils 50a und ein Druckaufbau auf die Kammer 10, wie bereits beschrieben. Gegebenenfalls kann die Kammer 10 in ihrer Größe und Form bedarfsweise variiert werden. Auch sind mehrere Kammern 10 denkbar, welche jeweils einem Waschschritt zugeordnet werden. Der Waschvorgang in Kammer 20 wird weiter unten in Verbindung mit der Fig. 4 noch näher erläutert.

In Fig. 2 ist nun eine weitere Ausführungsform 1 ' eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteils prinziphaft dargestellt. Im Unterschied zur Ausführung gemäß Fig. 1 weist das mikrofluidische Bauteil 1 ' mehrere mikrofluidische Funktionsgruppen 90 (wie in der Fig. 1 beschrieben) auf. Entsprechend sind auch mehrere weiterführende Mikrokanäle 80 vorgesehen. Sie können bspw. an einen gemeinsamen Waste-Bereich angeschlossen werden.

Diese Ausführungsform 1 ' kann bspw. dazu dienen, die in den Funktionsgruppen 90

durchzuführenden Reaktions- und Waschschritte miteinander zu kombinieren, zu kaskadieren bzw. mehrere Assays gleichzeitig laufen zu lassen..

Nunmehr werden in Fig. 3 zwei mögliche Geometrien der zu waschenden Kammer 20 dargestellt, wobei natürlich auch andere Geometrien denkbar sind. Die Kammergeometrie gemäß Fig. 3b stellt gegenüber der Geometrie gemäß Fig. 3a eine Verbesserung im Sinne der Wascheffizienz dar und kann zweckmäßigerweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden.

In Fig. 3a ist ersichtlich, dass die Kammer 20 wie in Fig. 1 dargestellt, ausgebildet ist. Sie weist also in der Draufsicht einen in etwa rechteckigen Grundriss auf, wobei auch der Einlass

(Mikrokanal 40) sowie der Auslass (Mikrokanal 80) erkennbar sind. Die Kammer 20 ist hier in Strömungsrichtung S bereits von Waschflüssigkeit F2 durchdrungen.

Durch die diagonale Anordnung von Ein- und Auslass (40 und 80) in Strömungsrichtung S kann zwar die Effizienz in der Waschung etwas gebessert werden, es sind jedoch hierbei in den nicht dem Ein- bzw. Auslass zugeordneten Eckbereichen nennenswerte Rückstände an Flüssigkeit F1 unvermeidbar, da diese Methode des diagonalen Waschens die entgegengesetzten Ecken auslässt.

Eine Verbesserung der Wascheffizienz allein durch eine Andersgestaltung der

Kammergeometrie ist in Fig. 3b dargestellt.

Darin ist eine Kammer 20' ersichtlich, welche in Strömungsrichtung S eine Eingangsöffnung 21 und eine Ausgangsöffnung 22 aufweist. An die Eingangsöffnung 21 schließt sich ein erster Abschnitt 23 mit sich kontinuierlich erweiterndem Querschnitt der Kammer 20' an. Konkret laufen in diesem Abschnitt 23 in der Draufsicht die gegenüberliegenden Wände der Kammer 20' V-förmig auseinander. An den Abschnitt 23 schließt sich ein Abschnitt 24 mit konstantem Querschnitt der Kammer 20' an. Hierbei verlaufen die gegenüberliegenden Wände der Kammer 20' also in etwa parallel. An den Abschnitt 24 wiederum schließt sich ein Abschnitt 25 an, in dem sich der Querschnitt der Kammer 20' kontinuierlich verkleinert. Die gegenüberliegenden Wände der Kammer 20' laufen hier in Richtung der Ausgangsöffnung 22 V-förmig aufeinander zu.

Die Kammergeometrie wird hierdurch hinsichtlich des Strömungsverlaufs der Waschflüssigkeit F2 optimiert. Trotzdem sind auch hier gewisse Rückstände an wegzuwaschender Flüssigkeit F1 in den Eckbereichen unvermeidbar.

Fig. 4 zeigt nunmehr im Detail, wie das erfindungsgemäße Verfahren zu einer deutlichen Verbesserung der Wascheffizienz führt:

So ist die Kammer 20' zunächst mit der wegzuwaschenden Flüssigkeit F1 gefüllt (Fig. 4a). Nach Einleitung des Waschvorgangs (wie oben beschrieben) wird zunächst die durch die

Waschflüssigkeit F2 vorhergetriebene Luftblase L in die Kammer 20', und zwar im Bereich der Eingangsöffnung 21 hineingedrückt (Fig. 4b), so lange, bis die gesamte Luftblase L in die Kammer 20' hineingedrückt wurde (Fig. 4c). Dabei ist ersichtlich, dass die Luftblase L sich sehr schnell nach außen in Richtung der Seitenwände der Kammer 20' ausbreitet und mit diesen Kontaktbereiche 26 bildet.

Bei weiterem Fortschreiten des Waschvorgangs dringt die der Luftblase L nachfolgende

Waschflüssigkeit F2 in die Kammer 20' ein (Fig. 4d). Bedingt durch die Luftblase L bzw. die Kontaktbereiche 26 kommt es einerseits zu einer sehr guten Verdrängung der Flüssigkeit F1 in Richtung der Ausgangsöffnung 22, andererseits auch zu eine sehr guten Trennung zwischen der Flüssigkeit F1 und der nachfolgenden Flüssigkeit F2.

Zwischen der Flüssigkeit F1 und der nachfolgenden Flüssigkeit F2 kommt es also im

Wesentlichen nicht zu einer Diffusion, mit Ausnahme gegebenenfalls in Strömungsrichtung S gesehen hinter den Kontaktbereichen 26 noch verbleibender (äußerst geringer) Restmengen an Flüssigkeit Fl

Insbesondere an den Fig. 4d und 4e ist ersichtlich, dass die Größe der Luftblase L keineswegs dem Volumen der Kammer 20' entsprechen muss. Es sollte lediglich sichergestellt sein, dass die definierte Menge an Luft L in der Kammer 30 so groß ist, dass eine Luftblase L erzeugt werden kann, die so groß ist, dass sie mit der Kammer 20' die erwähnten Kontaktbereiche 26 bilden und somit quasi als Sperrschicht zwischen der Flüssigkeit F1 und der nachfolgenden Flüssigkeit F2 dienen kann.

In Fig. 4e ist ersichtlich, dass die Luftblase L, welche wiederum von der nachfolgenden

Flüssigkeit F2 in Richtung der Ausgangsöffnung 22 verdrängt wurde, die Flüssigkeit F1 zu einem sehr hohen Prozentsatz aus der Kammer 20' verdrängt hat.

Den Figuren 4f und 4g ist zu entnehmen, dass die Luftblase L von der nachfolgenden

Flüssigkeit F2 in die Ausgangsöffnung 22 hineingedrückt wird und sich schließlich in der Kammer 20' nur noch die Flüssigkeit F2 befindet. Mit der Waschflüssigkeit F2 muss dann ggf. lediglich nur ein äußerst geringer Rest an in der Kammer 20' verbliebener, wegzuwaschender Flüssigkeit F1 mit der Waschflüssigkeit F2 diffundieren.

Dies führt dazu, dass der Bedarf an Waschflüssigkeit F2, welcher notwendig ist, um eine geforderte Restkonzentration an Flüssigkeit F1 in der Kammer 20' zu erzielen, deutlich gesenkt werden kann. Die erzeugbaren, geringen Restkonzentrationen an Flüssigkeit F1 können also durch die einströmende Waschflüssigkeit F2 innerhalb kurzer Zeit herausgespült werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel konnten bei einer Kammergeometrie der Kammer 20' von etwa 32 mm² im Grundriss, verbunden mit einer Höhe von einigen hundert μηι bei

Volumenströmen von etwa 4 μΙ/sec gute Ergebnisse erzielt werden. Dabei waren

Volumenströme von 2 μΙ/sec bis etwa 10 μΙ/sec realisierbar. Als Initialdruck zur Auslösung des Waschvorgangs hat sich ein Druck von etwa 0,4 bar als äußerst zweckmäßig erwiesen, wobei jedoch auch deutlich höhere Drücke bis etwa 0,8 bar Anwendung fanden.

Bezugszeichenliste

1 , 1 ' Mikrofluidisches Bauteil

10 erste Kammer zur Aufnahme von Waschflüssigkeit

20, 20' zweite Kammer mit weg zu waschender Flüssigkeit

21 Eingangsöffnung

22 Ausgangsöffnung

23 erster Abschnitt mit sich erweiterndem Querschnitt der Kammer

24 Abschnitt mit konstantem Querschnitt der Kammer

25 zweiter Abschnitt mit sich verringerndem Querschnitt der Kammer

26 seitliche Kontaktbereiche der Luftblase mit der Wandung der zweiten Kammer 30 weitere Kammer zur Aufnahme von Luft

40 Mikrokanäle

50a, b ansteuerbare Ventile

60 Mikrokanal

70 ansteuerbares Ventil

80 Mikrokanal

90 mikrofluidische Funktionsgruppe

F1 weg zu waschende Flüssigkeit

F2 Waschflüssigkeit

L Luft bzw. Luftblase

S Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Waschen wenigstens einer Kavität (20, 20') in einem mikrofluidischen Bauteil (1 , 1 '), wobei in der Kavität (20, 20') eine erste Flüssigkeit (F1) enthalten ist und der Kavität (20, 20') wenigstens eine zweite Flüssigkeit (F2) zum Waschen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kavität (20, 20') vor Zuführung der

Waschflüssigkeit (F2) ein Gas (L) zugeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in Form einer Blase (L) mit definiertem Volumen durch die Kavität (20, 20') geleitet wird.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasblase (L) ein Volumen aufweist, welches kleiner ist als das Volumen der Kavität (20, 20').

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Gasblase (L) in etwa 40% bis 60 %, vorzugsweise in etwa 50 % des Volumens der Kavität (20, 20') entspricht.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (L) Luft ist.

Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Gas (L) und anschließender Flüssigkeit (F2) zum Waschen mehrmals wiederholt wird.

Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend wenigstens eine erste Kavität (10), welche mit einer Flüssigkeit (F2) zum Waschen wenigstens einer zweiten Kavität (20, 20') gefüllt ist und Mittel (40, 50a, 50b) zur Herstellung einer fluidischen Verbindung zwischen der wenigstens einen ersten (10) und der wenigstens einen zweiten Kavität (20, 20'), dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (S) der Flüssigkeit (F2) gesehen wenigstens eine weitere Kavität (30) zwischen der ersten (10) und der zweiten Kavität (20, 20') angeordnet ist, welche (30) mit einem Gas (L) befüllt ist.

8. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere, mit Gas (L) befülllte Kavität (30) ein Volumen aufweist, welches kleiner ist, als das Volumen der wenigstens einen zweiten, zu waschenden Kavität (20, 20').

9. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (S) der Flüssigkeit (F2) gesehen der mit Gas (L) befüllten Kavität (30) jeweils wenigstens ein Ventil (50a) vor- und wenigstens ein Ventil (50b) nachgeschaltet ist.

10. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (50a, 50b) ansteuerbar sind.

1 1. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu waschende Kavität (20') in

Strömungsrichtung (S) einen ersten Abschnitt (23) aufweist, in dem sich der Querschnitt der Kavität (20') kontinuierlich erweitert und einen zweiten Abschnitt (25), in dem sich der Querschnitt der Kavität (20') kontinuierlich verjüngt.

12. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass

zwischen den Abschnitten (23 und 25) mit sich veränderndem Querschnitt ein Abschnitt (24) mit konstantem Querschnitt angeordnet ist.

13. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Gas (L) befüllte Kavität (30) mit wenigstens einem weiteren Gasreservoir fluidisch verbindbar ist.

14. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1 ') nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidische Verbindung durch ein ansteuerbares Ventil (70) herstellbar ist.

15. Mikrofluidisches Bauteil (1 , 1') nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch

gekennzeichnet, dass das Gas (L) Luft ist.