WO2017202648A1 - Fluidikmodul, vorrichtung und verfahren zum biochemischen prozessieren einer flüssigkeit unter verwendung von mehreren temperaturzonen - Google Patents

Fluidikmodul, vorrichtung und verfahren zum biochemischen prozessieren einer flüssigkeit unter verwendung von mehreren temperaturzonen Download PDF

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Simon Wadle
Ingmar Schwarz
Mark Keller
Nils Paust
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Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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Definitions

  • Fluidic module, apparatus and method for biochemically processing a fluid using multiple temperature zones Description
  • the present invention relates to a fluidic module for biochemically processing a fluid using a plurality of temperature zones, a device for operating the fluidic module and a method for operating the fluidic module.
  • Such devices and methods can be used in particular in biochemical methods, such as temperature-controlled, biochemical analysis methods (eg those known as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction, Sanger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring), and in particular PCR (Polymerase Chain Reaction).
  • biochemical analysis methods eg those known as Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA Restriction, Sanger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring
  • PCR Polymerase Chain Reaction
  • PCR is the standard method for amplifying and thus detecting DNA.
  • the implementation of the PCR requires the repeated heating and cooling of the liquid to be processed, which is also called reaction liquid.
  • heating usually to 90 ° C to 98 ° C
  • the present, to be detected DNA duplexes are thermally separated from each other into single strands.
  • cooling usually to 55 ° C to 70 ° C
  • the primers can bind to the DNA single strands.
  • the extension of the primers by the polymerase takes place. This creates a copy of each of the present DNA single strands.
  • Most available systems for carrying out the PCR carry out the cyclical heating and cooling of the reaction liquid in a temperature-controlled chamber in one place.
  • This chamber usually has a large thermal mass. Accordingly, there is a high energy requirement to be able to heat and cool this large thermal mass as quickly as possible. Furthermore, the temperature change of the large thermal mass must be controlled, which is complex.
  • systems have already been developed which have a plurality of tempered areas between which the reaction liquid is cyclically reciprocated. In the following, these systems are referred to as temperature zone PCR systems. As a result, the thermal mass to be tempered is reduced to a minimum.
  • these existing temperature zone PCR systems are disadvantageous in terms of the flexibility of the corresponding PCR application.
  • pressure-driven temperature zone PCR systems a reaction fluid is moved into different temperature zones by means of external pressure sources (eg syringe pumps).
  • document [1] discloses a spiral reactor in which an annular channel guides the reaction liquid over constant temperature ranges.
  • document [2] discloses a serpentine reactor in which a meander channel leads the reaction liquid over a plurality of constant temperature control regions arranged in parallel.
  • Document [3] describes a meander reactor for performing a PCR. The reaction fluid is moved by means of external pumps through a meander channel. The meander loops are alternately in contact with the different temperature zones for performing the PCR.
  • document [4] discloses an oscillatory reactor in which a plug with the reaction liquid is moved back and forth between constant temperature control ranges.
  • an oscillatory reactor is described.
  • a plug of a reaction liquid is moved back and forth between two constant temperature zones.
  • Temperature zone PCR systems are based on the principle of thermal convection.
  • Document [6] describes an annular reaction cell which can be filled with a reaction liquid. After closure of the reaction cell, the reaction liquid is cyclically moved by thermal convection through zones of constant temperature, whereby a PCR can be performed.
  • centrifugal temperature zone PCR systems the reaction liquid is processed on a centrifugal microfluidic test carrier.
  • the reaction fluid within a spiral reactor (see above) is reciprocated on a centrifugal microfluidic test carrier by thermal convection between the temperature zones for the PCR. The flow velocity in the spiral reactor is thereby changed by adjusting the rotational speed of the test carrier.
  • Document [8] discloses an oscillatory reactor on a centrifugal test carrier.
  • the reaction liquid is reciprocated within a probe mounted on the centrifugal test carrier and held by a spring via a channel between two temperature zones.
  • the movement in zone 1 takes place at a low rotational frequency.
  • the chip is held by a magnet in such a position relative to the center of rotation that zone 1 is located radially further outward than zone 2.
  • centrifugal force moves the liquid from zone 2 to zone 1.
  • the chip is positioned by the spring such that zone 2 is located radially further outward than zone 1.
  • centrifugal force moves the liquid from zone 1 to zone 2.
  • Document [9] describes a chip with a reaction chamber that is alternately moved by rotation over different temperature zones for processing a PCR.
  • Document [10] discloses a method of producing a desired temperature profile in one or more selected areas on a substrate.
  • the target temperature is generated according to the invention by a heating structure.
  • the heating structure may consist of a material which is introduced onto or into the substrate and is capable of transferring heat to the substrate, for example by absorption of electromagnetic radiation or under the influence of electrical currents.
  • the heating structure may also be given by the fact that in a substrate, the absorbed electromagnetic radiation, the non-heating areas are protected by a material from the absorption of the radiation. This can be done by directly applying the anti-heating material to the substrate, or by properly shielding the non-heating areas by a mask located between the radiation source and the substrate.
  • the object of the present invention is to provide an improved fluidic module for the biochemical processing of a fluid using a plurality of temperature zones, a device for operating the fluidic module and a method for operating the fluidic module.
  • a fluidic module for biochemically processing a liquid which is rotatable about an axis of rotation at an influenceable angular velocity, and comprising: a first fluid chamber with a venting device, which on a region of the first fluid chamber facing the axis of rotation is arranged, and with a liquid opening, which is arranged on a side facing away from the axis of rotation of the first fluid chamber; a second fluid chamber having a fluid port disposed on a portion of the second fluid chamber remote from the axis of rotation; a fluid passage fluidly connecting the fluid port of the first fluid chamber to the fluid port of the second fluid chamber; wherein the first fluid chamber substantially in an annular ers ten temperature zone is disposed with a lying on the axis of rotation center, which is tempered during rotation of the fluid module with a tempering device, and wherein the second fluid chamber is disposed substantially in an annular second temperature zone with a lying on the axis of rotation center, which during rotation the temperature of
  • a fluid chamber is understood to be a cavity which is provided to receive the liquid in order to process it there.
  • a venting device is such a device, which allows a pressure equalization between the respective fluid chamber and the ambient pressure.
  • a region of the fluid chamber which faces away from the axis of rotation is one such region which lies radially outward with respect to the intended rotation.
  • An annular region is understood as meaning an area which, viewed in the direction of the axis of rotation, lies between a circle with a smaller radius and a circle with a larger radius.
  • the (second) temperature zone can be heated to a different temperature than the (first) temperature zone, for example, the first temperature zone can be brought to a temperature T1 and the second temperature zone to a temperature T2 different therefrom ,
  • the tempering device can not be arranged to rotate or rotate.
  • the compressible gas may be, for example, ambient air.
  • the invention makes it possible to drive the liquid to be processed either selectively into the first fluid chamber or into the second fluid chamber and also to hold it there.
  • the centrifugal pressure can be adjusted in a simple manner by influencing the angular velocity.
  • the liquid can be transported back and forth between the first fluid chamber and the second fluid chamber as often as desired.
  • the liquid can be alternately brought to the temperature of the first temperature zone and the temperature of the second temperature zone.
  • a first processing step can be carried out alternately at a first temperature and a second processing step at a second temperature.
  • the time duration of the first processing step and the duration of the second processing step can be freely selected.
  • the fluidic module according to the invention can be used in particular for carrying out a PCR method.
  • the temperature T1 of the first temperature zone between 90 ° C and 98 ° C and the temperature T2 of the second temperature zone between 55 ° C and 70 ° C.
  • a significant advantage of the fluidic module according to the invention is its high assay flexibility.
  • the holding times of the liquid in the first fluid chamber or in the second fluid chamber can be arbitrarily and independently set.
  • the second fluid chamber is designed to be closed, so that the compressible gas in the second fluid chamber is compressed when the fluid is driven into the second fluid chamber, thereby increasing the static overpressure of the compressible gas ,
  • the second fluid chamber has a gas opening which is arranged on a region of the second fluid chamber facing the axis of rotation and fluid-conductively connected to a closed compression chamber via a gas channel, so that the compressible gas in the second fluid chamber and is compressed in the compression chamber when the liquid is driven into the second fluid chamber, thereby increasing the static overpressure of the compressible gas.
  • the compression chamber is disposed substantially in an annular third temperature zone with a lying on the axis of rotation center, which is tempered during rotation of the fluid module with the tempering other than the first temperature zone and other than the second temperature zone ,
  • the compressible gas in the compression chamber can be brought to an adjustable temperature T3, so that there is a possibility for influencing the static overpressure. If, for example, the temperature T3 is increased, so does the static overpressure of the compressible gas in the second fluid chamber. Conversely, if the temperature T3 is lowered, the static overpressure of the compressible gas in the second fluid chamber is also lowered.
  • the second fluid chamber has a gas opening, which is arranged on a region of the second fluid chamber facing the axis of rotation and fluid-conductively connected to an opening of the fluidic module via a pressure channel, which can be acted upon by a fixed pressure source with an influenceable pressure. so as to influence the static overpressure.
  • a portion of the fluid chamber that faces the axis of rotation is one such area that is radially inward with respect to the intended rotation.
  • the pressure source can be designed to impinge the opening of the fluidic module from the outside with an air jet or an air suction. This makes it possible to influence the static overpressure in the second fluid chamber.
  • the static overpressure can even assume negative values, which can be used to suck off the processed liquid in order to be able to use it for further use.
  • the first fluid chamber has a gas opening, which is arranged on a rotation axis of the region facing the first fluid chamber and fluidly connected via an equalization channel channel with an opening of the fluid, which on a side facing away from the axis of rotation of the fluid channel is arranged.
  • a region of the fluid channel which faces away from the axis of rotation is one such region which lies radially outward with respect to the intended rotation. Since the compensation channel is radially inward with the first fluid chamber. is bound, while the fluid channel is radially outwardly connected to the first Fiuidhunt, in such embodiments, excess gas from the second Fiuidhunt is transported substantially via the compensation channel in the first Fiuidhunt. In this way it can be avoided that the fluid channel is emptied by excess gas, so that the centrifugal pressure drops sharply and thereby the balance between static pressure and centrifugal pressure is released, resulting in an uncontrolled escape of the compressible gas from the second Fiuidhunt via the first Fiuidhunt and would lead to the venting device.
  • the compensation channel can thus stabilize the equilibrium of the static overpressure and the centrifugal pressure.
  • the fluid channel has an inverse siphon structure, which lies further outward than the second fluid chamber with respect to the axis of rotation.
  • An inverse siphon structure is understood to mean a fluid-conducting structure which, starting from the opening of the second fluid chamber, initially extends radially outwards to a curved arrangement or up to a bent arrangement and then radially inwards.
  • the inverse siphon structure can also stabilize the equilibrium of the static overpressure and the centrifugal pressure.
  • a thermal insulator is arranged at least between two adjacent temperature zones of the said temperature zones.
  • the thermal insulator can be realized, for example, by the use of a material with low thermal conductivity.
  • a thermal insulator can be produced by material recesses. In this way, an undesirable heat flow from a higher-temperature zone to a lower temperature zone can be prevented.
  • one or more biochemical sensors are arranged in the first fluid chamber and / or in the second fluid chamber. Such sensors make it possible to determine a result of the processing in situ.
  • the invention relates to a device for operating the fluidic module according to the invention for the biochemical processing of a fluid, the device comprising: a drive device for rotating the fluidic module about the axis of rotation at a variable angular velocity; a tempering device, which is designed to temper an annular first temperature zone of the fluidic module during a rotation of the fluid modulus and which is adapted to temper an annular second temperature zone of the fluidic module during the rotation of the fluid module other than the first temperature zone.
  • the device makes it possible to rotate the proposed fluidic module according to the invention and to provide the different temperature control of the first temperature zone and the second temperature zone as provided by the invention. This results in the advantages described above.
  • the tempering device is designed to temper an annular third temperature zone of the fluidic module during the rotation of the fluid module differently than the first temperature zone and differently than the second temperature zone. This makes it possible by means of the device to influence the static pressure in the second fluid chamber of the fluidic module by tempering the compression chamber.
  • the device additionally comprises a pressure source, which is designed to apply an influenceable pressure to an opening of the fluidic module.
  • the tempering device has at least one tempering element which is designed as a Peltier element, as an infrared element, as a resistance heating element or as a cooling element. It can be provided that a single tempering element is used to control the temperature of the various temperature zones. In this case, the tempering, for example, radially movable or entangled about a tangential axis or form a temperature gradient in temperature zone 1 and temperature zone 2 has different temperatures. It can also be provided that one or more tempering elements are assigned to each of the temperature zones.
  • the invention relates to a system for biochemically processing a liquid, the system comprising: at least one fluidic module according to the invention for biochemically processing the liquid; and an inventive device for operating the fluidic module for biochemical processing of the liquid.
  • the invention relates to a method for operating a fluidic module according to the invention for the biochemical processing of a fluid, the method comprising the following steps: a) rotating the fluidic module; b) tempering the first temperature zone, such that a temperature of the first temperature zone is suitable for a processing step of a first type, and tempering the second temperature zone, such that a temperature of the second temperature zone is suitable for a processing step of a second type; c) influencing the angular velocity and / or the static overpressure, such that the liquid is driven through the fluid channel into the first fluid chamber; d) carrying out the processing step of the first type on the fluid driven into the first fluid chamber under the influence of the temperature of the first temperature zone; e) influencing the angular velocity and / or the static overpressure, such that the liquid is driven through the fluid channel into the second fluid chamber; f) performing the processing step of the second type on the fluid driven into the second fluid chamber under the influence of the temperature of the second temperature zone
  • the processing step of the first type may be a step in the separation of the DNA double strands to be detected in the context of a PCR method.
  • the processing step of the second type may be a step for attaching primers to the DNA single strands.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a second exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view
  • Figure 6 shows a sixth embodiment of an inventive
  • Fluidic module in a schematic plan view
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for operating the fluidic module with a first exemplary embodiment of a centrifugal microfluidic test carrier arranged thereon in a schematic side view;
  • FIG. 8 shows the embodiment of a device according to the invention for operating the fluidic module with a second embodiment of a centrifugal microfluidic test carrier arranged thereon in a schematic side view.
  • Identical or similar elements or elements with the same or equivalent function are provided below with the same or similar reference numerals.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a Fiuidikmoduls invention in a schematic plan view.
  • the fluidic module for the biochemical processing of a fluid FL which is rotatable about an axis of rotation RA (see FIGS. 7 and 8) at an influenceable angular velocity .omega.
  • the second fluid chamber 7 is designed to be closed, so that the compressible gas in the second fluid chamber 7 is compressed when the fluid FL is driven into the second fluid chamber 7, so that thereby the static overpressure P of the compressible Gas GS is increased.
  • the fluidic module 1 is arranged in a disk-shaped centrifugal microfluidic test carrier 15.
  • Such test carriers 15 are known, for example, under "LabDisk.”
  • the rotation axis RA is not shown, since it lies above the image detail.
  • the first embodiment is based on the generation of pneumatic overpressure P in the radially outer second fluid chamber 7.
  • the angular velocity ⁇ 1 of the fluidic module 1 on the left side is smaller than the angular velocity ⁇ 2 of the fluidic module 1 on the right side, whereby Fza ⁇ Fzb applies to the centrifugal forces.
  • the radially inner first fluid chamber 2 lies in the first temperature zone 11, which is at the temperature T1 is tempered, while the radially outer second fluid chamber 7 is located in the second temperature zone 13, which is tempered to the temperature T2.
  • the temperature T1 may be lower than the temperature T2.
  • the liquid FL to be processed can be transferred back and forth by a change in the angular velocity ⁇ between the radially inner first fluid chamber 2 and the radially outer second fluid chamber 7.
  • the radially inner first fluid chamber 2 is vented against an external pressure, and the radially outer second fluid chamber 7 is designed to be closed.
  • the fluid channel 10 is filled.
  • the centrifugal force ZD occurring at the transition from the liquid FL to the compressible gas GS by the centrifugal force Fza is compensated by the pneumatic pressure P1 in the radially outer second fluid chamber 7, wherein the amount of liquid FL in the fluid channel 10 is a small part of the total amount of liquid FL represents.
  • the majority of the processed liquid remains in the temperature zone T1 during this phase.
  • the angular velocity ⁇ 2 and thus the centrifugal force Fzb acting on the liquid FL can be reduced, whereby the compressed gas GS in the radially outer second fluid chamber 7 relaxes and most of the liquid FL is again transferred into the radially inner first fluid chamber 2 and thus into the first temperature zone 11.
  • the angular velocities ⁇ 1 for the state shown on the left and ⁇ 2 for the state shown on the right can be changed during multiple transfers in order to be able to compensate for any pressure conditions that may change in the system.
  • first fluid chamber 2 may have a greater radial extent than the first temperature zone 11.
  • second fluid chamber 7 may have a greater radial extent than the second temperature zone 13. It is essential, however, that the liquid FL in the fluid chambers 2 and 7 is sufficiently homogeneous temperature for the particular reaction.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view.
  • the second embodiment is based on the first embodiment, so that in the following only the different features are explained.
  • the second fluid chamber 7 has a gas opening 16, which is arranged on a region 17 of the second fluid chamber 7 facing the axis of rotation RA and fluid-conductively connected to a closed compression chamber 19 via a gas channel 18, so that the compressible gas GS in the second fluid chamber 7 and in the compression chamber 19 is compressed when the fluid FL is driven into the second fluid chamber 7, thereby increasing the static pressure P of the compressible gas GS.
  • the radially outer second fluid chamber 7 may be connected to one or more further compression chambers 19 via one or more gas channels 18, the additional grain chambers 18 being connected to one another.
  • prim istskammem 19 in this way contribute to the compressible by the liquid FL volume of the gas GS, form a closed system, which is not vented. This allows the arrangement of a part of the volume provided for the gas GS, which is compressed by the liquid FL by the centrifugal pressure ZD, at arbitrary positions in the fluidic module 1, so that the second fluid chamber 7 can be completely filled with the liquid FL.
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view.
  • the third embodiment is based on the second embodiment, so that in the following only the different features are explained.
  • the compression chamber 19 is arranged essentially in an annular third temperature zone 20 with a center lying on the axis of rotation RA, which differs from the first temperature zone 11 during a rotation of the fluid module 1 with the tempering device 12 and differently the second temperature zone 13 is temperature-controlled.
  • an influence of the pneumatic pressure P by tempering the compression chamber 19 is provided.
  • the compression chamber 19 is arranged in one of the temperature zones 11 and 13 independently temperature-controlled temperature zone 20.
  • a separate connected to the radially outer fluid chamber and non-vented compression chamber 19 are in a third temperature zone 20, so that the pneumatic pressure P for the transfer of the liquid FL between radially inner fluid chamber 2 and radially outward fluid chamber 7 by a Temperature change in the third temperature zone 20 can be influenced.
  • Such control of the pneumatic pressure P can be effected by heating and cooling of the compression chamber 19. The effect caused by the heating or cooling of the compression chamber 19 effects to increase or decrease the pneumatic
  • FIG. 4 shows a fourth exemplary embodiment of a flexible module according to the invention in a schematic plan view. The fourth embodiment is based on the first embodiment, so that only the deviating features are explained below.
  • the second fluid chamber 7 has a gas opening 22, which is arranged on a rotation axis RA facing portion 17 of the second fluid chamber 7 and fluidly connected via a pressure channel 23 with an opening 24 of the fluidic module 1, which with a fixed Pressure source 25 can be acted upon with an impressionable pressure, so as to influence the static pressure P.
  • the radially outer fluid chamber 7 can be connected via a pressure channel 23 to an opening of the fluidic module 1, through which an overpressure or underpressure in the radially outer fluid chamber 7 is generated, for example by an air jet applied from the outside can.
  • the fluid transfer between radially inward fluid chamber 2 and radially outward fluid chamber 7 either by a change in the pneumatic pressure P in the radially outer fluid chamber alone (in this case, the angular velocity ⁇ 1 of the fluid module 1 on the left side identical to the angular velocity ⁇ 2 of the fluid module 1 on the right side) or by simultaneously influencing the angular velocity ⁇ and the externally applied pneumatic pressure P (in this case, the angular velocity ⁇ 1 of the fluence) is reached.
  • FIG. 5 shows a fifth exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view.
  • the fifth embodiment is based on the first embodiment, so that in the following only the different features are explained.
  • the first fluid chamber 2 has a gas opening 26 which is arranged on the region 4 of the first fluid chamber 2 facing the axis of rotation RA and fluid-connected to an opening 28 of the fluid channel 10 via a compensation channel 27 a region 29 of the fluid channel 10 facing away from the axis of rotation RA is arranged.
  • the radially inner fluid chamber 2 and the radially outer fluid chamber 7 are connected by a plurality of channels 10, 27, wherein the fluid channel 10, the radially outermost point of the radially outer fluid chamber 7 with the radially outermost on the outside lying point of the radially inner fluid chamber 2 connects and a compensation channel 27 connects the fluid channel 10 with the radially inner fluid chamber 2.
  • connection point between the fluid channel 10 and the compensation channel 27 is suitably positioned so that gas GS, which is transferred from the radially outer fluid chamber 7 into the fluid channel 10, under the influence of the centrifugal force FZa preferably through the compensation channel 27 in the radially inward lying fluid chamber 2 is transferred, whereby the fluid channel 10, as shown on the left side of Figure 5, during a gas transfer completely filled with liquid FL remains.
  • the gas opening 26 of the radially inner fluid chamber 2, to which the compensation channel 27 is connected radially inward than the region of the radially inner fluid chamber 2, which is filled with the liquid FL, while the liquid FL is being processed in the radially inner fluid chamber 2.
  • the advantage of such a channel arrangement lies in the stabilization of the state shown on the left side of FIG. 5, since without the introduction of the compensation channel 27, ie, As in the first embodiment, there is the following risk during processing:
  • the pneumatic pressure P of the radially outer fluid chamber 7 outweighs the centrifugal pressure ZD and the transfer of the gas GS from the radially outer fluid chamber 7 into the Fiuidkanal 10 continues until the entire liquid FL is displaced in the channel by gas GS.
  • gas GS escapes from the radially outer fluid chamber 7 until the centrifugal pressure ZD in the radially inner fluid chamber 2 is in equilibrium with the pneumatic overpressure P of the radially outer fluid chamber 7, thus generally causing a high loss of pressure P in the radially outer fluid chamber.
  • Chamber 7 is accompanied.
  • the compensation channel 27 additionally provided in FIG. 5 prevents such a loss of pressure P by passing the gas GS through the compensation channel 27 into the radially inner fluid chamber 2 in the event of a transfer of gas GS from the radially outer fluid chamber 7 into the fluid channel 10 and the fluid passage 10 remains completely filled with liquid FL during the transfer, whereby the centrifugal pressure ZD applied to the port 28 does not change during the venting of the excess gas GS.
  • the gas pressure P in the radially outer fluid chamber 7 is reduced below the original equilibrium value, whereby the centrifugal pressure ZD of the liquid column in Fiuidkanal 10, the pneumatic pressure P in the radially outer Fluid chamber 7 exceeds.
  • liquid FL flows from the radially inner fluid chamber 2 through the Fiuidkanal 10 via the opening 28 in the compensation channel 27 and closes it again, whereby the transfer of the gas GS stopped is before a large loss of pressure P occurs in the radially outer fluid chamber 7.
  • the second state of the fluidic module 1 is shown, in which, by increasing the angular velocity ⁇ , the liquid FL is transferred into the radially outer fluid chamber 7.
  • FIG. 6 shows a sixth exemplary embodiment of a fluidic module according to the invention in a schematic plan view.
  • the sixth exemplary embodiment is based on the first exemplary embodiment, so that only the differing features are explained below.
  • the fluid channel 10 has an inverse siphon structure 30, which lies farther outward than the second fluid chamber 7 in relation to the rotation axis RA.
  • the fluid channel 10 may have an inverse siphon structure 30 between the radially outer fluid chamber 7 and the radially inner fluid chamber 2.
  • An inverse siphon structure 30 is to be understood as a channel shape which, starting from the liquid opening 8 of the radially outer fluid chamber 7, initially extends up to a radial position which, viewed radially, is located further outside than the liquid opening 8 and which starts from this radial position extends radially inwardly to the radius of the liquid opening 8.
  • the advantage of such an inverse siphon structure 30 can be seen on the left side of FIG. In this case, the pneumatic overpressure P in the radially outer fluid chamber 7 is in equilibrium with the centrifugal pressure ZD liquid FL.
  • the meniscus 31 is in the first radially outward part of the inverse siphon structure 30.
  • the resulting transfer of gas GS from the radially outer fluid chamber 7 into the fluid channel 10 leads to an increase of the hydrostatic column in the fluid passage 10, whereby the increased pneumatic pressure P after a displacement of the position of the meniscus 31 again is in equilibrium with the centrifugal pressure ZD of the liquid FL.
  • the use of the inverse siphon structure creates a tolerance window for the temperature and angular velocity ⁇ within which, as shown on the left side of FIG. 6, the liquid FL can be held in the first fluid chamber 2 without causing loss Gas comes in the second fluid chamber.
  • a thermal insulator 32 is arranged at least between two adjacent temperature zones 11, 13 of the said temperature zones 11, 13, 20.
  • one or more biochemical sensors 33, 34 are arranged in the first fluid chamber 2 and / or in the second fluid chamber 7.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for operating the fluidic module with a first exemplary embodiment of a centrifugal microfluidic test carrier arranged thereon in a schematic side view.
  • the device according to the invention for operating a fluidic module 1 for the biochemical processing of a fluid FL comprises: a drive device 35 for rotating the fluidic module 1 about the rotational axis RA with an influenceable angular velocity ⁇ ; and a tempering device 12, which is designed to temper an annular first temperature zone 11 of the fluidic module 1 during a rotation of the fluidic module 1 and which is designed differently than an annular second temperature zone 13 of the fluidic module 1 during the rotation of the fluidic module 1 to temper the first temperature zone 11.
  • the tempering device 12 is designed to temper an annular third temperature zone 20 of the fluidic module 1 during the rotation of the fluid module 1 differently than the first temperature zone 11 and other than the second temperature zone 13.
  • the device further comprises a pressure source 25 which is designed to act on an opening 24 of the fluidic module 1 with an impressionable pressure.
  • the tempering device 12 has at least one tempering element 36, which is referred to as a peltier. relement, as infrared element, as a resistance heating element or as a cooling element is formed.
  • the system according to the invention for the biochemical processing of a fluid FL comprises at least one fluidic module 1 according to the invention for the biochemical processing of the fluid FL; and an inventive device for operating the fluidic module 1 for biochemical processing of the liquid FL.
  • the method according to the invention for operating a fluidic module 1 according to the invention for the biochemical processing of a liquid comprises the following steps: a) rotating the fluidic module 1; b) tempering the first temperature zone 11, such that a temperature of the first temperature zone 11 is suitable for a processing step of a first type, and tempering the second temperature zone 13, such that a temperature of the second temperature zone 13 is suitable for a processing step of a second type ; c) influencing the angular velocity ⁇ and / or the static overpressure P, such that the liquid is driven through the fluid channel 10 into the first fluid chamber 2; d) carrying out the processing step of the first type on the FL fluid driven into the first fluid chamber 2 under the influence of the temperature of the first temperature zone 11; e) influencing the angular velocity ⁇ and / or the static overpressure P, such that the liquid FL is driven through the fluid channel 10 into the second fluid chamber 7; f) carrying out the processing step of the second type on the fluid FL driven into the second fluid chamber 7, with the temperature of the
  • the disk-shaped centrifugal microfluidic test carrier 15 comprises a substrate 37 and a lid 38.
  • the disk-shaped centrifugal microfluidic test carrier 15 can have one or more fluidic modules 1 according to the invention, of which two are shown by way of example in FIG.
  • the substrate 37 and the lid 38 can be circular in plan view, with a central opening, via which the centrifugal microfluidic test carrier 15 can be attached to the device for operating the fluidic module 1, in particular detachably.
  • the attachment can take place via a conventional fastening device 39 of the device on a rotating part 40 of a drive device 35.
  • the rotating part 40 is rotatably supported on a stationary part 41 of the drive device 35.
  • the drive device 35 can be, for example, a conventional centrifuge with an adjustable rotational speed or else a CD or DVD drive.
  • the cover 38 is arranged on the side of the substrate 37 facing away from the drive device 35.
  • the cover 38 could be arranged on the side of the substrate 37 facing the drive device 35.
  • a control device 42 may be provided, which is designed to control the drive device 35 in order to act on the centrifugal microfluidic test carrier 15 with rotations with different angular velocities ⁇ .
  • the controller 42 may be implemented by, for example, a suitably programmed computing device or custom integrated circuit.
  • the controller 42 may be further configured to control, upon manual input by a user, the drive device 35 to perform the required rotations of the centrifugal microfluidic test carrier 15 to effect.
  • the controller 42 is configured to control the drive device 35 to apply the required angular velocities ⁇ to the centrifugal microfluidic test carrier 15 to implement the invention as described herein.
  • As drive device 35 a conventional centrifuge with only one direction of rotation can be used.
  • the centrifugal microfluidic test carrier 15 has the required fluidic structures of the fluidic module or modules 1.
  • the necessary fluidic structures may be formed by cavities and channels in the lid 38, the substrate 37 or in the substrate 37 and the lid 38.
  • fluidic structures may be imaged in the substrate 37 while fill openings and vents are formed in the lid 38.
  • FIG. 8 shows the exemplary embodiment of a device according to the invention for operating the fluidic module with a second exemplary embodiment of a centrifugal microfluidic test carrier arranged thereon in a schematic side view.
  • one or more fluidic modules 1 are inserted into a rotor 43 and together with the rotor 30 form the disc-shaped centrifugal microfluidic test carrier 15.
  • the fluidic modules 1 can each have a substrate 44 and a cover 45, in which corresponding fluidic structures are formed could be.
  • the centrifugal microfluidic test carrier 15 formed by the rotor 43 and the fluidic modules 1 can in turn be acted upon by a drive device 35, which is controlled by the control device 42.
  • the covers 45 are arranged on the side of the substrates 44 facing away from the drive device 35.
  • the covers 45 could be arranged on the side of the substrate 44 facing the drive device 35.
  • the fluidic module 1 or the centrifugal microfluidic test carrier 15, which has the fluidic structures may be formed from any suitable material, for example, a plastic such as cycloolefin polymers, Cycloelefincopo- polymers, PMMA (polymethyl methacrylate), polycarbonate, PVC (polyvinyl chloride), PP (polypropylene) or PDMS (polydimethylsiloxane), glass or the like.
  • the centrifugal microfluidic test carrier 15 can be considered as a centrifugal microfluidic platform.
  • a tempering device 12 for tempering the first temperature zone 11, for independently controlling the temperature of the second temperature zone 13 and for independently controlling the third temperature zone 20 of the fluidic module 1 or is shown.
  • the tempering device 12 has, in exemplary embodiments, a plurality of tempering elements 36, each of which may be assigned to exactly one of the temperature zones 11, 13, 20.
  • a fixed pressure source 25 is shown, which is intended to apply openings 24 of the or the fluidic idikmodule 1 with an impressionable pressure, so as to influence the static pressure P.
  • Other embodiments, not shown, include any combinations of the listed embodiments which are given by parallel arrangement and / or processing.

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Abstract

Fluidikmodul zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit, welches mit einer beeinflussbaren Winkelgeschwindigkeit um eine Rotationsachse drehbar ist, wobei eine erste Fluidkammer im Wesentlichen in einer kreisringförmigen ersten Temperaturzone mit einem auf der Rotationsachse liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während einer Drehung des Fluidmoduls mit einer Temperiereinrichtung temperierbar ist, und wobei eine zweite Fluidkammer im Wesentlichen in einer kreisringförmigen zweiten Temperaturzone mit einem auf der Rotationsachse liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während der Drehung des Fluidmoduls mit der Temperiereinrichtung anders als die erste Temperaturzone temperierbar ist und in Bezug auf die Rotationsachse weiter außen liegt als die erste Temperaturzone; wobei die Flüssigkeit durch einen Fluidkanal in die zweite Fluidkammer getrieben wird, wenn ein von der Winkelgeschwindigkeit abhängiger Zentrifugaldruck größer als ein durch ein kompressibles Gas erzeugter statischer Überdruck in der zweiten Fluidkammer ist und wobei die Flüssigkeit durch den Fluidkanal in die erste Fluidkammer getrieben wird, wenn der von der Winkelgeschwindigkeit abhängige Zentrifugaldruck kleiner als der durch das kompressible Gas erzeugte statische Überdruck in der zweiten Fluidkammer ist, so dass die Flüssigkeit durch eine Beeinflussung der Winkelgeschwindigkeit und/oder des statischen Überdrucks wiederholbar zwischen der ersten Temperaturzone und der zweiten Temperaturzone hin- und hertreibbar ist.

Description

Fluidikmodul, Vorrichtung und Verfahren zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit unter Verwendung von mehreren Temperaturzonen Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fluidikmodul zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit unter Verwendung von mehreren Temperaturzonen, eine Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls und ein Verfahren zum Betreiben des Fluidikmoduls.
Solche Vorrichtungen und Verfahren können insbesondere bei biochemischen Verfahren, wie temperaturgeregelten, biochemischen Analyseverfahren (z.B. solchen, die als Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA- Restriktion, Sanger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring bekannt sind), und insbesondere einer PCR (Polymerase-Chain-Reaction) eingesetzt werden.
Die PCR ist das Standard-Verfahren, um DNA zu amplifizieren und somit detektieren zu können. Die Durchführung der PCR bedarf des wiederholten Aufheizens und Abkühlens der zu prozessierenden Flüssigkeit, welche auch Reaktionsflüssigkeit genannt wird. Während des Aufheizens (meist auf 90 °C bis 98 °C) werden die vorliegenden, nachzuweisenden DNA-Doppelstränge thermisch voneinander zu Einzelsträngen getrennt. Durch das Abkühlen (meist auf 55 °C bis 70 °C) können sich die für die Amplifikationsreaktion benötigten Moleküle, sogenannte Primer, an die DNA-Einzelstränge anbinden. Gleichzeitig findet die Verlängerung der Primer durch die Polymerase statt. Dadurch entsteht je eine Kopie der vorliegenden DNA-Einzelstränge. Die meisten verfügbaren Systeme zur Durchführung der PCR führen das zyklische Aufheizen und Abkühlen der Reaktionsflüssigkeit in einer temperierten Kammer an einem Ort durch. Diese Kammer verfügt meist über eine große thermische Masse. Entsprechend besteht ein hoher Energiebedarf um möglichst schnell diese große thermische Masse heizen und kühlen zu kön- nen. Des Weiteren muss die Temperaturänderung der großen thermischen Masse kontrolliert werden, was sich als komplex darstellt. Alternativ wurden bereits Systeme entwickelt, die über mehrere temperierte Bereiche verfügen, zwischen denen die Reaktionsflüssigkeit zyklisch hin- und herbewegt wird. Im Folgenden werden diese Systeme als Temperaturzonen PCR Systeme bezeichnet. Dadurch wird die zu temperierende thermische Masse auf ein Minimum reduziert. Diese vorhandenen Temperaturzonen PCR Systeme sind allerdings nachteilig bezüglich der Flexibilität der entsprechenden PCR Anwendung. Bei druckgetriebenen Temperaturzonen-PCR Systemen wird mittels externer Druckquellen (z.B. Spritzenpumpen) eine Reaktionsflüssigkeit in verschiedene Temperaturzonen bewegt. Entsprechend publizierte Systeme werden gemäß Dokument [1] in Spiral-, Serpentinen- und oszillatorische Reaktoren unterteilt. Beispielhaft offenbart Dokument [1] einen Spiral-Reaktor bei dem ein ringförmiger Kanal die Reaktionsflüssigkeit über konstante Temperierungsbereiche führt. Weiterhin offenbart Dokument [2] einen Serpentinen- Reaktor bei dem ein Mäanderkanal die Reaktionsflüssigkeit über mehrere parallel angeordnete konstante Temperierungsbereiche führt. Dokument [3] beschreibt einen Mäander-Reaktor für die Durchführung einer PCR. Die Re- aktionsflüssigkeit wird mithilfe externer Pumpen durch einen Mäanderkanal bewegt. Die Mäanderschleifen sind abwechselnd in Kontakt mit den verschiedenen Temperaturzonen für die Durchführung der PCR. Darüber hinaus offenbart Dokument [4] einen oszillatorischen Reaktor, bei dem ein Plug mit der Reaktionsflüssigkeit zwischen konstanten Temperierungsbereichen hin- und herbewegt wird. In einem Ausführungsbeispiel des Dokuments [5] wird ein oszillatorischer Reaktor beschrieben. Ein Plug einer Reaktionsflüssigkeit wird zwischen zwei konstant temperierten Zonen hin- und herbewegt. Hierfür ist der Anschluss einer externen Druckquelle an einen entsprechenden Kanal, der den Reaktionsflüssigkeitsplug beinhaltet, notwendig.
Konvektionszellen Temperaturzonen-PCR Systeme beruhen auf dem Prinzip der thermischen Konvektion. Dokument [6] beschreibt eine ringförmige Reaktionszelle, die mit einer Reaktionsflüssigkeit gefüllt werden kann. Nach Verschluss der Reaktionszelle wird die Reaktionsflüssigkeit durch thermische Konvektion über Zonen mit Konstanter Temperatur zyklisch bewegt, wodurch eine PCR durchgeführt werden kann. Bei zentrifugalen Temperaturzonen-PCR Systemen wird die Reaktionsflüssigkeit auf einem zentrifugal-mikrofluidischen Testträger prozessiert. Bei Dokument [7] wird die Reaktionsflüssigkeit innerhalb eines Spiral- Reaktors (siehe oben) auf einem zentrifugal-mikrofluidischen Testträger durch thermische Konvektion zwischen den Temperaturzonen für die PCR hin- und herbewegt. Die Flussgeschwindigkeit im Spiral-Reaktor wird dabei durch Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit des Testträgers geändert.
Dokument [8] offenbart einen oszillatorischen Reaktor auf einem zentrifugalen Testträger. Die Reaktionsflüssigkeit wird innerhalb eines auf den zentrifugalen Testträger montierten und mit einer Feder gehaltenen Chip über einen Kanal zwischen zwei Temperaturzonen hin-und herbewegt. Die Bewegung in Zone 1 erfolgt bei einer geringen Drehfrequenz. Bei dieser geringen Drehfrequenz wird der Chip durch einen Magneten in einer solchen Position relativ zum Drehzentrum gehalten, dass sich Zone 1 radial weiter außen gelegen als Zone 2 befindet. Somit wird durch Zentrifugalkraft die Flüssigkeit von Zone 2 in Zone 1 bewegt. Durch Erhöhung der Drehfrequenz wird der Chip nicht mehr vom Magneten in der entsprechenden Position gehalten. Stattdessen wird der Chip durch die Feder derart positioniert, dass sich Zone 2 radial weiter außen gelegen als Zone 1 befindet. Somit wird durch Zentrifugalkraft die Flüssigkeit von Zone 1 in Zone 2 bewegt. In Dokument [9] wird ein Chip mit einer Reaktionskammer beschrieben, die durch Rotation abwechselnd über verschiedene Temperaturzonen zur Prozessierung einer PCR bewegt wird.
Dokument [10] offenbart eine Methode zur Erzeugung eines gewünschten Temperaturprofils in einem oder mehreren ausgewählten Bereichen auf einem Substrat. Die Zieltemperatur wird gemäß der Erfindung durch eine Heizstruktur erzeugt. Die Heizstruktur kann dabei aus einem Material bestehen, das auf das oder in das Substrat eingebracht wird und in der Lage ist z.B. durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung oder unter Einfluss von elektrischen Strömen, Wärme an das Substrat zu übertragen. Die Heizstruktur kann jedoch auch dadurch gegeben sein, dass bei einem Substrat, das elektromagnetische Strahlung absorbiert, die nicht zu heizenden Bereiche durch ein Material vor der Absorption der Strahlung geschützt werden. Dies kann durch direktes Aufbringen des Erwärmungsverhindernden Materials auf das Substrat geschehen oder aber durch geeignetes Abschirmen der nicht zu heizenden Bereiche durch eine Maske, die zwischen Strahlungsquelle und Substrat liegt.
Die Dokumente [11], [12] und [13] offenbaren jeweils eine Vorrichtung mit drei getrennten Temperaturzonen. Über die Temperaturzonen wird ein Chip mit einer Reaktionsflüssigkeit sequentiell mithilfe eines Rotors bewegt.
Dadurch wird eine PCR durchgeführt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Flu- idikmodul zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit unter Verwen- dung von mehreren Temperaturzonen, eine Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls und ein Verfahren zum Betreiben des Fluidikmoduls bereitzustellen.
In einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Fluidikmodul zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit, welches mit einer beeinflussbaren Winkelgeschwindigkeit um eine Rotationsachse drehbar ist, und folgende Merkmale umfasst: eine erste Fluidkammer mit einer Entlüftungseinrichtung, welche an einem der Rotationsachse zugewandten Bereich der ersten Fluidkammer angeordnet ist, und mit einer Flüssigkeitsöffnung, welche an einem der Rotationsachse abgewandten Bereich der ersten Fluidkammer angeordnet ist; eine zweite Fluidkammer mit einer Flüssigkeitsöffnung, welche an einem der Rotationsachse abgewandten Bereich der zweiten Fluidkammer angeordnet ist; ein Fluidkanal, der die Flüssigkeitsöffnung der ersten Fluidkammer mit der Flüssigkeitsöffnung der zweiten Fluidkammer fluidleitend verbindet; wobei die erste Fluidkammer im Wesentlichen in einer kreisringförmigen ers- ten Temperaturzone mit einem auf der Rotationsachse liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während einer Drehung des Fluidmoduls mit einer Temperiereinrichtung temperierbar ist, und wobei die zweite Fluidkammer im Wesentlichen in einer kreisringförmigen zweiten Temperaturzone mit einem auf der Rotationsachse liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während der Drehung des Fluidmoduls mit der Temperiereinrichtung anders als die erste Temperaturzone temperierbar ist und in Bezug auf die Rotationsachse weiter außen liegt als die erste Temperaturzone; wobei die Flüssigkeit durch den Fluidkanal in die zweite Fluidkammer getrieben wird, wenn ein von der Winkelgeschwindigkeit abhängiger Zentrifugaldruck größer als ein durch ein kompressibles Gas erzeugter statischer Überdruck in der zweiten Fluidkammer ist und wobei die Flüssigkeit durch den Fluidkanal in die erste Fluidkammer getrieben wird, wenn der von der Win- kelgeschwindigkeit abhängige Zentrifugaldruck kleiner als der durch das kompressible Gas erzeugte statische Überdruck in der zweiten Fluidkammer ist, so dass die Flüssigkeit durch eine Beeinflussung der Winkelgeschwindigkeit und/oder des statischen Überdrucks wiederholbar zwischen der ersten Temperaturzone und der zweiten Temperaturzone hin- und hertreibbar ist.
Unter einer Fluidkammer wird dabei ein Hohlraum verstanden, der dazu vorgesehen ist, die Flüssigkeit aufzunehmen, um sie dort zu prozessieren. Eine Entlüftungseinrichtung ist eine solche Einrichtung, welche einen Druckausgleich zwischen der jeweiligen Fluidkammer und dem Umgebungsdruck er- möglicht. Ein Bereich der Fluidkammer, welcher der Rotationsachse abgewandt ist, ist ein solcher Bereich, der in Bezug auf die vorgesehene Drehung radial außen liegt. Unter einem kreisringförmigen Bereich wird ein solcher Bereich verstanden, der, in Richtung der Rotationsachse gesehen, zwischen einem Kreis mit einem kleineren Radius und einem Kreis mit einem größeren Radius liegt.
Unter dem Begriff„anders temperierbar" wird verstanden, dass die (zweite) Temperaturzone auf eine andere Temperatur beheizbar ist als die (erste) Temperaturzone. Beispielsweise kann die erste Temperaturzone auf eine Temperatur T1 und die zweite Temperaturzone auf eine davon unterschiedliche Temperatur T2 gebracht werden. Die Temperiereinrichtung kann nicht drehend oder drehend angeordnet sein.
Bei dem kompressiblen Gas kann es sich beispielsweise um Umgebungsluft handeln.
Die Erfindung ermöglicht es, in einfacher Weise die zu prozessierende Flüssigkeit durch eine Anpassung des Zentrifugaldrucks und/oder des statischen Überdrucks wahlweise in die erste Fluidkammer oder in die zweite Fluid- kammer zu treiben und auch dort zu halten. So kann beispielsweise der Zentrifugaldruck in einfacher Weise durch eine Beeinflussung der Winkelgeschwindigkeit eingestellt werden. Dabei kann die Flüssigkeit beliebig oft zwischen der ersten Fluidkammer und der zweiten Fluidkammer hin- und hertransportiert werden. Somit kann die Flüssigkeit abwechselnd auf die Temperatur der ersten Temperaturzone und auf die Temperatur der zweiten Tempe- raturzone gebracht werden. Somit kann abwechselnd ein erster Prozessierschritt bei einer ersten Temperatur und ein zweiter Prozessierschritt bei einer zweiten Temperatur durchgeführt werden. Dabei kann die zeitliche Dauer des ersten Prozessierschritts und die zeitliche Dauer des zweiten Prozessierschritts frei gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Fluidikmodul kann insbesondere zur Durchführung eines PCR -Verfahrens genutzt werden. In diesem Fall kann die Temperatur T1 der ersten Temperaturzone zwischen 90 °C und 98 °C und die Temperatur T2 der zweiten Temperaturzone zwischen 55 °C und 70 °C liegen.
Da das erfindungsgemäße Fluidikmodul keine externen Pumpen benötigt, entfällt die Problematik des Anschlusses von derartigen Pumpen.
Weiterhin ist es in einfacher Weise möglich, mehrere gleichartige Fluidikmo- dule auf einem einzigen zentrifugal-mikrofluidischen Testträger anzuordnen, so dass mehrere Flüssigkeitsproben parallel prozessiert werden können.
Aufgrund des Zentrifugaldrucks werden während des Prozessierens eventuell gebildete Gasblasen abgeführt, was dafür sorgt, dass sich beim Prozes- sieren innerhalb der Flüssigkeit in der jeweiligen Fluidkammer eine homogene Temperaturverteilung einstellt. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Fluidikmoduls ist dessen hohe Assay-Flexibilität. So können die Haltezeiten der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer bzw. in der zweiten Fluidkammer beliebig und unabhängig voneinander eingestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Fluidkammer geschlossen ausgeführt, so dass das kompressible Gas in der zweiten Fluidkammer komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit in die zweite Fluid- kammer getrieben wird, so dass dadurch der statische Überdruck des kom- pressiblen Gases erhöht wird.
Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des Fluidikmoduls. Die Steuerung des Transports der Flüssigkeit kann dabei ausschließlich über eine Einstellung der Winkelgeschwindigkeit erfolgen, so dass der Steuerungsaufwand minimiert ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die zweite Fluidkammer eine Gasöffnung auf, welche an einem der Rotationsachse zuge- wandten Bereich der zweiten Fluidkammer angeordnet und über einen Gaskanal fluidleitend mit einer geschlossen ausgeführten Komprimierungskammer verbunden ist, so dass das kompressible Gas in der zweiten Fluidkammer und in der Komprimierungskammer komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer getrieben wird, so dass dadurch der statische Überdruck des kompressiblen Gases erhöht wird.
Hierdurch steht für das kompressible Gas ein größeres Gesamtvolumen zur Verfügung. Dabei ist es nun möglich, die zweite Fluidkammer durch eine Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit praktisch vollständig zu füllen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kompressionskammer im Wesentlichen in einer kreisringförmigen dritten Temperaturzone mit einem auf der Rotationsachse liegenden Mittelpunkt angeordnet, welche während einer Drehung des Fluid moduls mit der Temperiereinrichtung an- ders als die erste Temperaturzone und anders als die zweite Temperaturzone temperierbar ist. Hierdurch kann das kompressible Gas in der Kompressionskammer auf eine einstellbare Temperatur T3 gebracht werden, so dass eine Möglichkeit zur Beeinflussung des statischen Überdrucks besteht. Wird beispielsweise die Temperatur T3 erhöht, so erhöht sich auch der statische Überdruck des kompressiblen Gases in der zweiten Fluidkammer. Wird andersherum die Temperatur T3 erniedrigt, so erniedrigt sich auch der statische Überdruck des kompressiblen Gases in der zweiten Fluidkammer. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die zweite Fluidkammer eine Gasöffnung auf, welche an einem der Rotationsachse zugewandten Bereich der zweiten Fluidkammer angeordnet und über einen Druckkanal fluidleitend mit einer Öffnung des Fluidikmoduls verbunden ist, welche mit einer feststehenden Druckquelle mit einem beeinflussbaren Druck beaufschlagbar ist, um so den statischen Überdruck zu beeinflussen.
Ein Bereich der Fluidkammer, welcher der Rotationsachse zugewandt ist, ist ein solcher Bereich, der in Bezug auf die vorgesehene Drehung radial innen liegt. Die Druckquelle kann dazu ausgebildet sein, um die Öffnung des Flu- idikmoduls von außen mit einem Luftstrahl oder einem Luftsog zu Beaufschlagen. Hierdurch ist es möglich, den statischen Überdruck in der zweiten Fluidkammer zu beeinflussen. Dabei kann der statische Überdruck sogar negative Werte annehmen, was dazu genutzt werden kann, die prozessierte Flüssigkeit abzusaugen, um sie einer weiteren Verwendung zuführen zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die erste Fluidkammer eine Gasöffnung auf, welche an einem der Rotationsachse zugewandten Bereich der ersten Fluidkammer angeordnet und über einen Aus- gleichskanal fluidleitend mit einer Öffnung des Fluid kanals verbunden ist, welche an einem der Rotationsachse abgewandten Bereich des Fluidkanals angeordnet ist.
Ein Bereich des Fluidkanals, welcher der Rotationsachse abgewandt ist, ist ein solcher Bereich, der in Bezug auf die vorgesehene Drehung radial außen liegt. Da der Ausgleichskanal radial innen mit der ersten Fluidkammer ver- bunden ist, während der Fluidkanal radial außen mit der ersten Fiuidkammer verbunden ist, wird bei derartigen Ausführungsbeispielen überschüssiges Gas aus der zweiten Fiuidkammer im Wesentlichen über den Ausgleichskanal in die erste Fiuidkammer transportiert. Hierdurch kann vermieden wer- den, dass der Fluidkanal durch überschüssiges Gas entleert wird, so dass der Zentrifugaldruck stark abfällt und dadurch das Gleichgewicht zwischen statischen Überdruck und Zentrifugaldruck aufgehoben wird, was zu einem unkontrollierten entweichen des kompressiblen Gases aus der zweiten Fiuidkammer über die erste Fiuidkammer und deren Entlüftungseinrichtung führen würde. Der Ausgleichskanal kann also eine Stabilisierung des Gleichgewichts des statischen Überdrucks und des Zentrifugaldrucks bewirken.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist der Fluidkanal eine inverse Siphonstruktur auf, welche in Bezug auf die Rotationsachse wei- ter außen liegt als die zweite Fiuidkammer. Als inverse Siphonstruktur wird dabei eine fluidleitende Struktur verstanden, welche sich ausgehend von der Öffnung der zweiten Fiuidkammer zunächst radial nach außen bis zu einer gekrümmten Anordnung oder bis zu einer geknickten Anordnung und dann radial nach innen erstreckt. Die inverse Siphonstruktur kann ebenfalls eine Stabilisierung des Gleichgewichts des statischen Überdrucks und des Zentrifugaldrucks bewirken.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens zwischen zwei benachbarten Temperaturzonen der besagten Temperaturzonen ein thermischer Isolator angeordnet. Der thermische Isolator kann beispielsweise durch die Verwendung eines Materials mit geringer thermischer Leitfähigkeit realisiert werden. Ebenso kann ein thermischer Isolator durch Materialaussparungen erzeugt sein. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Wärmefluss von einer höher temperierten Temperaturzone zu einer niederer temperierten Temperaturzone verhindert werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in der ersten Fiuidkammer und/oder in der zweiten Fiuidkammer ein oder mehrere biochemische Sensoren angeordnet. Derartige Sensoren erlauben es, ein Ergebnis der Prozessierung in situ festzustellen. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben des erfindungsgemäßen Fluidikmoduls zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Antriebsvorrichtung zum Drehen des Fluidikmoduls um die Rotationsachse mit einer beeinfiussbaren Winkelgeschwindigkeit; eine Temperiereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine kreisringförmige erste Temperaturzone des Fluidikmoduls während einer Drehung des Flu- idmoduls zu temperieren und welche dazu ausgebildet ist, eine kreisringförmige zweite Temperaturzone des Fluidikmoduls während der Drehung des Fluidmoduls anders als die erste Temperaturzone zu temperieren.
Die Vorrichtung ermöglicht das erfindungsgemäß vorgesehene Drehen des vorgeschlagenen Fluidikmoduls sowie das erfindungsgemäß vorgesehene unterschiedliche Temperieren der ersten Temperaturzone und der zweiten Temperaturzone. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Temperier- einrtchtung dazu ausgebildet, eine kreisringförmige dritte Temperaturzone des Fluidikmoduls während der Drehung des Fluidmoduls anders als die erste Temperaturzone und anders als die zweite Temperaturzone zu temperieren. Hierdurch ist es mittels der Vorrichtung möglich, den statischen Überdruck in der zweiten Fluidkammer des Fluidikmoduls durch Temperieren der Kompressionskammer zu beeinflussen.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrich- tung zusätzlich eine Druckquelle, welche dazu ausgebildet ist, eine Öffnung des Fluidikmoduls mit einem beeinflussbaren Druck zu beaufschlagen.
Dieses Merkmal ermöglicht es, den statischen Überdruck in der zweiten Fluidkammer des Fluidikmoduls über die Öffnung des Fluidikmoduls zu beein- Aussen. Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Temperiereinrichtung wenigstens ein Temperierelement auf, welches als Peltierele- ment, als Infrarotelement, als Widerstandheizelement oder als Kühlelement ausgebildet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein einziges Temperie- relement zum Temperieren der verschiedenen Temperaturzonen verwendet wird. In diesem Fall kann das Temperierelement beispielsweise radial verfahrbar oder um eine tangential der Achse verschränkbar sein oder einen Temperaturgradienten ausbilden der in Temperaturzone 1 und Temperaturzone 2 unterschiedliche Temperaturen aufweist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass jeder der Temperaturzonen ein oder mehrere Temperierelemente zugeordnet sind.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit, wobei das System folgende Merkmale umfasst: mindestens ein erfindungsgemäßes Fluidikmodul zum biochemischen Prozessieren der Flüssigkeit; und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls zum biochemischen Prozessieren der Flüssigkeit.
Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Rotieren des Fluidikmoduls; b) Temperieren der ersten Temperaturzone, derart, dass eine Temperatur der ersten Temperaturzone für einen Prozessierschritt einer ersten Art geeignet ist, und Temperieren der zweiten Temperaturzone, derart, dass eine Temperatur der zweiten Temperaturzone für einen Prozessierschritt einer zweiten Art geeignet ist; c) Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit und/oder des statischen Überdrucks, derart, dass die Flüssigkeit durch den Fluidkanal in die erste Fluid- kammer getrieben wird; d) Durchführung des Prozessierschritts der ersten Art an der in die erste Flu- idkammer getriebenen Flüssigkeit unter Einfluss der Temperatur der ersten Temperaturzone; e) Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit und/oder des statischen Über- drucks, derart, dass die Flüssigkeit durch den Fluidkanal in die zweite Fluid- kammer getrieben wird; f) Durchführung des Prozessierschritts der zweiten Art an der in die zweite Fluid kammer getriebenen Flüssigkeit unter Einfluss der Temperatur der zwei- ten Temperaturzone; und g) ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte c) bis f).
Bei dem Prozessierschritt der ersten Art kann es sich im Rahmen eines PCR-Verfahrens um einen Schritt zur Trennung der nachzuweisenden DNA- Doppelstränge handeln. In diesem Fall kann es sich bei dem Prozessierschritt der zweiten Art um einen Schritt zur Anbindung von Primern an die DNA-Einzelstränge handeln. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile
Im Folgenden werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht; Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht;
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiei eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht;
Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fiu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht; Figur 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Fluidikmoduls in einer schematischen Aufsicht;
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls mit einem ersten Ausfüh- rungsbeispiel eines daran angeordneten zentrifugal- mikrofluidischen Testträgers in einer schematischen Seitenansicht; und
Figur 8 das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines daran angeordneten zentrifugal- mikrofluidischen Testträgers in einer schematischen Seitenansicht. Gleiche oder gleichartige Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion sind im Folgenden mit gleichen oder gleichartigen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele mit einer Viel- zahl von Merkmalen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermittein. Es ist jedoch festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung auch unter Auslassung einzelner der beschriebenen Merkmale umgesetzt werden kann. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die in verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Merk- male auch in anderer Weise kombinierbar sind, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist oder zu Widersprüchen führen würde. Aspekte der Erfindung, welche hierin im Kontext der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, repräsentieren ebenso Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Umgekehrt repräsentieren solche Aspekte der Erfindung, welche hierin im Kontext des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind, ebenso Aspekte der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den folgenden Figuren 1-6 ist das jeweilige Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fiuidikmoduls in zwei Betriebszuständen gezeigt. Dabei ist jeweils auf der linken Seite ein Betriebszustand gezeigt, bei dem die Flüssigkeit in die erste Fluidkammer getrieben ist. Weiterhin ist jeweils auf der rechten Seite ein Betriebszustand gezeigt, bei dem die Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer getrieben ist. Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fiuidikmoduls in einer schematischen Aufsicht.
Das Fluidikmodul zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit FL, welches mit einer beeinflussbaren Winkelgeschwindigkeit ω um eine Rotati- onsachse RA (siehe Figuren 7 und 8) drehbar ist, umfasst eine erste Fluidkammer 2 mit einer Entlüftungseinrichtung 3, welche an einem der Rotationsachse RA zugewandten Bereich 4 der ersten Fluidkammer 2 angeordnet ist, und mit einer Flüssigkeitsöffnung 5, welche an einem der Rotationsachse RA abgewandten Bereich 6 der ersten Fluidkammer 2 angeordnet ist; eine zweite Fluidkammer 7 mit einer Flüssigkeitsöffnung 8, welche an einem der Rotationsachse RA abgewandten Bereich 9 der zweiten Fluidkammer 7 angeordnet ist; ein Fluidkanal 10, der die Flüssigkeitsöffnung 5 der ersten Fluidkammer 2 mit der Flüssigkeitsöffnung 9 der zweiten Fluidkammer 7 fluidleitend verbindet; wobei die erste Fluidkammer 2 im Wesentlichen in einer kreisringförmigen ersten Temperaturzone 11 mit einem auf der Rotationsachse RA liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während einer Drehung des Fluidmoduls 1 mit einer Temperiereinrichtung 12 temperierbar ist, und wobei die zweite Flu- idkammer 7 im Wesentlichen in einer kreisringförmigen zweiten Temperaturzone 13 mit einem auf der Rotationsachse RA liegenden Mittelpunkt ange- ordnet ist, welche während der Drehung des Fluidmoduls 1 mit der Temperiereinrichtung 12 anders als die erste Temperaturzone 11 temperierbar ist und in Bezug auf die Rotationsachse RA weiter außen liegt als die erste Temperaturzone 11 ; wobei die Flüssigkeit FL durch den Fluidkanal 10 in die zweite Fluidkammer 7 getrieben wird, wenn ein von der Winkelgeschwindigkeit ω abhängiger Zentrifugaldruck größer als ein durch ein kompressibles Gas GS erzeugter statischer Überdruck P in der zweiten Fluidkammer 7 ist und wobei die Flüssigkeit FL durch den Fluidkanal 10 in die erste Fluidkammer 2 getrieben wird, wenn der von der Winkelgeschwindigkeit ω abhängige Zentrifugaldruck ZD kleiner als der durch das kompressible Gas GS erzeugte statische Überdruck P in der zweiten Fluidkammer 7 ist, so dass die Flüssigkeit FL durch eine Beeinflussung der Winkelgeschwindigkeit ω und/oder des statischen Überdrucks P wiederholbar zwischen der ersten Temperaturzone 11 und der zweiten Temperaturzone 13 hin- und hertreibbar ist.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Fluidkammer 7 geschlossen ausgeführt, so dass das kompressible Gas in der zweiten Fluidkammer 7 komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit FL in die zwei- te Fluidkammer 7 getrieben wird, so dass dadurch der statische Überdruck P des kompressiblen Gases GS erhöht wird.
Das Fluidikmodul 1 ist dabei in einem scheibenförmigen zentrifugal- mikrofluidischen Testträger 15 angeordnet. Derartige Testträger 15 sind bei- spielsweise unter„LabDisk" bekannt. Die Rotationsachse RA ist nicht dargestellt, da sie oberhalb des Bildausschnittes liegt.
Das erste Ausführungsbeispiel beruht der Erzeugung von pneumatischem Überdruck P in der radial außen liegenden zweiten Fluidkammer 7. Auf der linken Seite und der rechten Seite ist es dasselbe Fluidikmodul 1 während zwei Phasen der Prozessierung abgebildet, wobei die Winkelgeschwindigkeit ω1 des Fluidikmoduls 1 auf der linken Seite kleiner ist als die Winkelgeschwindigkeit ω2 des Fluidikmoduls 1 auf der rechten Seite, wodurch für die Zentrifugalkräfte gilt Fza < Fzb. Die radial innen liegende erste Fluidkammer 2 liegt in der ersten Temperaturzone 11 , welche auf die Temperatur T1 tem- periert ist, während die radial außen liegende zweite Fluidkammer 7 in der zweiten Temperaturzone 13 liegt, welche auf die Temperatur T2 temperiert ist. Beispielsweise kann die Temperatur T1 tiefer als die Temperatur T2 liegen. Die zu prozessierende Flüssigkeit FL kann durch einen Wechsel der Winkelgeschwindigkeit ω zwischen der radial innen liegenden ersten Fluid- kammer 2 und der radial außen liegenden zweiten Fluidkammer 7 hin- und hertransferiert werden.
In dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die radial innen liegende erste Fluidkammer 2 gegen einen Außendruck entlüftet und die ra- dial außen liegende zweite Fluidkammer 7 geschlossen ausgeführt. Bei der geringeren Winkelgeschwindigkeit ω1 des Fluidikmoduls 1 ist der Fluidkanal 10 befüllt. Der durch die Zentrifugalkraft Fza am Übergang von der Flüssigkeit FL zum kompressiblen Gas GS auftretende Zentrifugaldruck ZD wird durch den pneumatischen Druck P1 in der radial außen liegenden zweiten Fluidkammer 7 kompensiert, wobei die Menge der Flüssigkeit FL im Fluidkanal 10 einen geringen Teil der Gesamtmenge der Flüssigkeit FL darstellt. Dadurch verbleibt der Großteil der prozessierten Flüssigkeit während dieser Phase in der Temperaturzone T1. Durch eine Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit von ω1 auf ω2 wird die Zentrifugalkraft von Fza auf Fzb erhöht, wodurch der Zentrifugaldruck ZD steigt. Dies führt zu einem Transfer der Flüssigkeit FL in die radial außen liegende zweite Fluidkammer 7 und zu einer Kompression des darin enthaltenen kompressiblen Gases GS. Durch diese Kompression sowie eventuell durch Verdunstungsprozesse steigt der pneumatische Druck P2 des Gases GS in der radial äußeren zweiten Fluidkammer 7 bis dieser mit dem Zentrifugaldruck ZD am Übergang von der Flüssigkeit FL zum kompressiblen Gas GS im Gleichgewicht steht. Am Ende des Transfers befindet sich keine oder nur noch ein geringer Teil der Flüssigkeit innerhalb der ersten Temperatur- zone 11. Zur Überführung dieses rechts gezeigten Zustands in den links gezeigten Zustand kann die Winkelgeschwindigkeit ω2 und damit die auf die Flüssigkeit FL wirkende Zentrifugalkraft Fzb verringert werden, wodurch sich das komprimierte Gas GS in der radial außen liegenden zweiten Fluidkammer 7 ent- spannt und der Großteil der Flüssigkeit FL wieder in die radial innen liegende erste Fluidkammer 2 und damit in die erste Temperaturzone 11 transferiert wird. Die Winkelgeschwindigkeiten ω1 für den links gezeigten Zustand und ω2 für den rechts gezeigten Zustand können dabei bei mehrfachem Transfer verändert werden, um so sich eventuell im System ändernde Druckverhält- nisse kompensieren zu können.
Abweichend von Figur 1 könnte die erste Fluidkammer 2 eine größere radiale Erstreckung aufweisen als die erste Temperaturzone 11. Ebenso könnte die zweite Fluidkammer 7 eine größere radiale Erstreckung aufweisen als die zweite Temperaturzone 13. Wesentlich ist jedoch, dass die Flüssigkeit FL in den Fluidkammern 2 und 7 für die jeweilige Reaktion ausreichend homogen temperierbar ist.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht. Das zweite Ausführungsbeispiel beruht auf dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass im Folgenden lediglich die abweichenden Merkmale erläutert sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die zweite Fluidkammer 7 eine Gasöffnung 16 auf, welche an einem der Rotationsachse RA zugewandten Bereich 17 der zweiten Fluidkammer 7 angeordnet und über einen Gaskanal 18 fluidleitend mit einer geschlossen ausgeführten Komprimierungskammer 19 verbunden ist, so dass das kompressible Gas GS in der zweiten Fluidkammer 7 und in der Komprimierungskammer 19 komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit FL in die zweite Fluidkammer 7 getrieben wird, so dass dadurch der statische Überdruck P des kompressiblen Gases GS erhöht wird.
Wie in Figur 2 gezeigt, kann die radial außen liegende zweite Fluidkammer 7 mit einer oder mehreren weiteren Komprimierungskammern 19 über einen oder mehrere Gaskanäle 18 verbunden sein, wobei die zusätzlichen Korn- primierungskammem 19, die auf diese Weise zum durch die Flüssigkeit FL komprimierbaren Volumen des Gases GS beitragen, ein geschlossenes System bilden, welches nicht entlüftet ist. Dies erlaubt die Anordnung eines Teils des für das Gas GS vorgesehenen Volumens, welches durch die Flüssigkeit FL durch den Zentrifugaldruck ZD komprimiert wird, an beliebigen Positionen im Fluidikmodul 1 , so dass die zweite Fluidkammer 7 vollständig mit der Flüssigkeit FL befüllbar ist.
Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht. Das dritte Ausführungsbeispiel beruht auf dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass im Folgenden lediglich die abweichenden Merkmale erläutert sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Kompressi- onskammer 19 im Wesentlichen in einer kreisringförmigen dritten Temperaturzone 20 mit einem auf der Rotationsachse RA liegenden Mittelpunkt angeordnet, welche während einer Drehung des Fluidmoduls 1 mit der Temperiereinrichtung 12 anders als die erste Temperaturzone 11 und anders als die zweite Temperaturzone 13 temperierbar ist.
Beim dritten Ausführungsbeispiel ist eine Beeinflussung des pneumatischen Drucks P durch Temperieren der Kompressionskammer 19 vorgesehen. Hierzu ist die Kompressionskammer 19 in einer von den Temperaturzonen 11 und 13 unabhängig temperierbaren Temperaturzone 20 angeordnet.
Beim dritten Ausführungsbeispiel kann eine separate mit der radial außen liegenden Fluidkammer verbundene und nicht entlüftete Kompressionskammer 19 in einer dritten Temperaturzone 20 liegen, sodass der pneumatische Druck P für den Transfer der Flüssigkeit FL zwischen radial innen liegender Fluidkammer 2 und radial außen liegender Fluidkammer 7 durch eine Temperaturveränderung in der dritten Temperaturzone 20 beeinflusst werden kann. Eine solche Steuerung des pneumatischen Drucks P kann durch eine Aufheizung sowie eine Abkühlung der Kompressionskammer 19 bewirkt werden. Die durch die Erwärmung bzw. Abkühlung der Kompressionskammer 19 bewirkten Effekte zur Erhöhung bzw. Verringerung des pneumatischen
Drucks P können dabei die Erhöhung und Verringerung der Stoffmenge des Gases GS durch Verdunstung und Kondensation ebenso umfassen, wie eine direkte Erhöhung des Drucks P durch die Erhöhung der kinetischen Energie der Moleküle des Gases GS. Beim dritten Ausführungsbeispiel kann die Beeinflussung der Winkelfrequenz zum hin und hertreiben der Flüssigkeit FL unter Umständen entfallen. Eine Veränderung der Winkelgeschwindigkeit kann jedoch auch im Zusammenspiel mit einer Veränderung der Temperatur in der dritten Temperaturzone 20 für den Flüssigkeitstransfer zwischen den Temperaturzonen 11 und 3 eingesetzt werden. Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen F!u- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht. Das vierte Ausführungsbeispiel beruht auf dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass im Folgenden lediglich die abweichenden Merkmale erläutert sind. Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die zweite Fluidkammer 7 eine Gasöffnung 22 auf, welche an einem der Rotationsachse RA zugewandten Bereich 17 der zweiten Fluidkammer 7 angeordnet und über einen Druckkanal 23 fluidleitend mit einer Öffnung 24 des Fluidikmoduls 1 verbunden ist, welche mit einer feststehenden Druckquelle 25 mit einem beeinflussbaren Druck beaufschlagbar ist, um so den statischen Überdruck P zu beeinflussen.
Im vierten Ausführungsbeispiel kann die radial außen liegende Fluidkammer 7 über einen Druckkanal 23 mit einer Öffnung des Fluidikmoduls 1 verbun- den sein, durch die, z.B. durch einen von außen aufgebrachten Luftstrahl, ein Über- oder Unterdruck in der radial außen liegenden Fluidkammer 7 erzeugt werden kann. In Ausführungsbeispielen entsprechend dieses Aspekts kann der Flüssigkeitstransfer zwischen radial innen liegender Fluidkammer 2 und radial außen liegender Fluidkammer 7 entweder durch eine Veränderung des pneumatischen Drucks P in der radial außen liegenden Fluidkammer allein (in diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit ω1 des Fluidmoduls 1 auf der linken Seite identisch mit der Winkelgeschwindigkeit ω2 des Fluidmoduls 1 auf der rechten Seite) oder durch gleichzeitiges Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit ω und des von außen aufgebrachtem pneumatischem Druck P erreicht werden, (in diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit ω1 des Flu- idmoduls 1 auf der linken Seite eine andere als die Winkelgeschwindigkeit ω2 des Fluidmoduls 1 auf der rechten Seite).
Figur 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Flu- idikmoduls in einer schematischen Aufsicht. Das fünfte Ausführungsbeispiel beruht auf dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass im Folgenden lediglich die abweichenden Merkmale erläutert sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die erste Flu- idkammer 2 eine Gasöffnung 26 auf, welche an dem der Rotationsachse RA zugewandten Bereich 4 der ersten Fluidkammer 2 angeordnet und über einen Ausgleichkanal 27 fluidleitend mit einer Öffnung 28 des Fluidkanals 10 verbunden ist, welche an einem der Rotationsachse RA abgewandten Bereich 29 des Fluidkanals 10 angeordnet ist.
Im fünften Ausführungsbeispiel sind die radial innen liegende Fluidkammer 2 und die radial außen liegende Fluidkammer 7 durch mehrere Kanäle 10, 27 verbunden, wobei der Fluidkanal 10 den radial am weitesten außen liegenden Punkt der radial außen liegenden Fluidkammer 7 mit dem radial am wei- testen außen liegenden Punkt der radial innen liegenden Fluidkammer 2 verbindet und ein Ausgleichskanal 27 den Fluidkanal 10 mit der radial innen liegenden Fluidkammer 2 verbindet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Fluidkanal 10 und dem Ausgleichskanal 27 ist dabei geeignet positioniert, sodass Gas GS, welches aus der radial äußeren Fluidkammer 7 in den Fluid- kanal 10 transferiert wird, unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft FZa bevorzugt durch den Ausgleichskanal 27 in die radial innen liegende Fluidkammer 2 transferiert wird, wodurch der Fluidkanal 10, wie auf der linken Seite der Figur 5 gezeigt, während eines Gas-Transfers vollständig mit Flüssigkeit FL gefüllt bleibt. Um den Gastransfer durch Ausgleichskanal 27 zu erleichtern, kann die Gasöffnung 26 der radial innen liegenden Fluidkammer 2, an welche der Ausgleichskanal 27 angeschlossen ist, radial weiter innen liegen als der Bereich der radial innen liegenden Fluidkammer 2, welcher mit der Flüssigkeit FL befüllt ist, während die Flüssigkeit FL in der radial innenliegende Fluidkammer 2 prozessiert wird. Der Vorteil einer solchen Kanal-Anordnung liegt in der Stabilisierung des auf der linken Seite stellt der Figur 5 gezeigten Zustands, da ohne die Einführung des Ausgleichskanals 27, d.h. beispiels- weise im erste Ausführungsbeispiel, folgendes Risiko während der Prozessierung besteht:
Auf der linken Seite der Figur 1 steht der pneumatische Überdruck P in der radial äußeren Fluidkammer 7 im Gleichgewicht mit dem Zentrifugaldruck ZD der Flüssigkeitssäule im Fiuidkanal 10 und in der radial innen liegenden Fluidkammer 2. Falls durch eine Änderung der Winkelgeschwindigkeit ω, der Temperaturen oder sonstiger Einfiussfaktoren ein Fluss des Gases GS aus der zweiten Kammer 7 in den Fiuidkanal 10 auftritt, verringert sich die Menge der Flüssigkeit FL im Fiuidkanal 10, wodurch sich der zentrifugal induzierte hydrostatische Druck ZD, also der Zentrifugaldruck ZD, im Fiuidkanal 10 verringert. Dadurch überwiegt der pneumatische Druck P der radial äußeren Fluidkammer 7 den Zentrifugaldruck ZD und der Transfer des Gases GS aus der radial äußeren Fluidkammer 7 in den Fiuidkanal 10 setzt sich fort bis die gesamte Flüssigkeit FL im Kanal durch Gas GS verdrängt ist. Als Folge entweicht Gas GS aus der radial äußeren Fluidkammer 7 bis der Zentrifugaldruck ZD in der radial inneren Fluidkammer 2 im Gleichgewicht mit dem pneumatischen Überdruck P der radial äußeren Fluidkammer 7 ist, wodurch im Allgemeinen ein hoher Verlust an Druck P in der radial äußeren Fluid- kammer 7 einhergeht.
Der in Figur 5 zusätzlich vorgesehene Ausgleichskanal 27 beugt einem solchen Verlust an Druck P vor, indem im Falle eines Transfers von Gas GS aus der radial äußeren Fluidkammer 7 in den Fiuidkanal 10 das Gas GS durch den Ausgleichskanal 27 in die radial innere Fluidkammer 2 geleitet wird und der Fiuidkanal 10 während des Transfers vollständig mit Flüssigkeit FL gefüllt bleibt, wodurch sich der Zentrifugaldruck ZD, der an der Öffnung 28 anliegt, während des Entlüftens des überschüssigen Gases GS nicht ändert. Im Laufe der Entlüftung des überschüssigen Gases GS durch den Aus- gieichskanal 27, reduziert sich der Gasdruck P in der radial außen liegenden Fluidkammer 7 unter den ursprünglichen Gleichgewichtswert, wodurch der Zentrifugaldruck ZD der Flüssigkeitssäule im Fiuidkanal 10 den pneumatischen Druck P in der radial außen liegenden Fluidkammer 7 übersteigt. Hierdurch fließt Flüssigkeit FL aus der radial innen liegenden Fluidkammer 2 durch den Fiuidkanal 10 über die Öffnung 28 in den Ausgleichskanal 27 und verschließt diesen wieder, wodurch der Transfer des Gases GS gestoppt wird bevor ein weitgehender Verlust an Druck P in der radial außen liegenden Fluidkammer 7 auftritt.
Auf der rechten Seite der Figur 5 ist der zweite Zustand des Fluidikmoduls 1 gezeigt, in dem durch Erhöhen der Winkelgeschwindigkeit ω Die Flüssigkeit FL in die radial äußere Fluidkammer 7 transferiert ist.
Die dargestellten und beschriebenen Positionen für die Verbindungen 5, 8, 26, 28 zwischen den Verbindungskanälen 10, 27, der ersten Fluidkammer 2 und der zweiten Fluidkammer 7 sind auf einen möglichst vollständigen Transfer der Flüssigkeit FL zwischen den Fluidkammer 2, 7 ausgelegt. Abweichende Positionierungen, die dadurch evtl. die Menge an transferierter Flüssigkeit FL verringern, sind in der Erfindung explizit mit eingeschlossen, da solche Abweichungen keine Abweichung vom Funktionsprinzip der Erfindung darstellen.
Figur 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls in einer schematischen Aufsicht. Das sechste Ausführungsbeispiel beruht auf dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass im Folgenden le- diglich die abweichenden Merkmale erläutert sind.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist der Fluidka- nal 10 eine inverse Siphonstruktur 30 auf, welche in Bezug auf die Rotationsachse RA weiter außen liegt als die zweite Fluidkammer 7.
Gemäß dem 6. Ausführungsbeispiel kann der Fluidkanal 10 zwischen der radial äußeren Fluidkammer 7 und der radial inneren Fluidkammer 2 eine inverse Siphonstruktur 30 aufweisen. Als inverse Siphonstruktur 30 soll dabei eine Kanalform verstanden werden, welche sich ausgehend von der Flüssig- keitsöffnung 8 der radial äußeren Fluidkammer 7 zunächst bis zu einer radialen Position erstreckt, welche sich radial gesehen weiter außerhalb als die Flüssigkeitsöffnung 8 befindet, und welche sich ausgehend von dieser radialen Position radial einwärts bis zum Radius der Flüssigkeitsöffnung 8 erstreckt. Der Vorteil einer solchen inversen Siphonstruktur 30 ist auf der linken Seite der Figur 6 zu erkennen. Dabei steht der pneumatische Überdruck P in der radial äußeren Fluidkammer 7 im Gleichgewicht mit dem Zentrifugaldruck ZD der Flüssigkeit FL. Als Ergebnis steht der Meniskus 31 im ersten radial nach außen verlaufenden Teil der inversen Siphonstruktur 30. Im Fall einer Abweichung der Temperatur oder der Winkelgeschwindigkeit ω, die zu einer Zunahme des pneumatischen Drucks P in der radial äußeren Kammer führt, oder eines sonstigen Grundes für eine solche Erhöhung des Drucks P, führt der resultierende Transfer von Gas GS aus der radial äußeren Fluidkammer 7 in den Fluidkanal 10 zu einer Erhöhung der hydrostatischen Säule im Flu- idkanal 10, wodurch der erhöhte pneumatische Druck P nach einer Verschiebung der Position des Meniskus 31 wieder im Gleichgewicht mit dem Zentrifugaldruck ZD der Flüssigkeit FL ist. Dadurch erzeugt die Verwendung der inversen Siphonstruktur ein Toleranzfenster für die Temperatur und die Winkelgeschwindigkeit ω, innerhalb welchem, wie auf der linken Seite der Figur 6 gezeigt, die Flüssigkeit FL in der ersten Fluidkammer 2 gehalten werden kann, ohne dass es dabei zu einem Verlust an Gas in der zweiten Fluid- kammer kommt.
Auf der rechten Seite ist gezeigt, wie die Flüssigkeit FL durch eine Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit ω1 auf die Winkelgeschwindigkeit ω2 in die radial äußere Fluidkammer 7 transferiert ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens zwischen zwei benachbarten Temperaturzonen 11 , 13 der besagten Temperaturzonen 11 , 13, 20 ein thermischer Isolator 32 angeordnet. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind in der ersten Fluidkammer 2 und/oder in der zweiten Fluidkammer 7 ein oder mehrere biochemische Sensoren 33, 34 angeordnet.
Wie im sechsten Ausführungsbeispiel gezeigt, können im Fluidikmodul 1 im mit der Flüssigkeit FL befüllbaren Teil des Fluidikmoduls 1 zusätzliche Strukturen eingebracht sein, die z.B. den Nachweis von Reaktionsprodukten erlauben. Insbesondere können Arrays von festphasenimmobilisierten PCR- Sonden eingebracht sein, die die Detektion spezifischer Amplifikationspro- dukte erlauben. Weitere nicht gezeigte Ausführungsbeispiele umfassen beliebige Kombinationen der aufgeführten Ausführungsbeispiele die durch parallele Anordnung und/oder Prozessierung gegeben sind. Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines daran angeordneten zentrifugal-mikrofluidischen Testträgers in einer schematischen Seitenansicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Fluidikmoduls 1 zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit FL umfasst: eine Antriebsvorrichtung 35 zum Drehen des Fluidikmoduls 1 um die Rotationsachse RA mit einer beeinflussbaren Winkelgeschwindigkeit ω; und eine Temperiereinrichtung 12, welche dazu ausgebildet ist, eine kreisringförmige erste Temperaturzone 11 des Fluidikmoduls 1 während einer Drehung des Fluidikmoduls 1 zu temperieren und welche dazu ausgebildet ist, eine kreisringförmige zweite Temperaturzone 13 des Fluidikmoduls 1 wäh- rend der Drehung des Fluidikmoduls 1 anders als die erste Temperaturzone 11 zu temperieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Temperiereinrichtung 12 dazu ausgebildet, eine kreisringförmige dritte Temperaturzone 20 des Fluidikmoduls 1 während der Drehung des Fluidmoduls 1 anders als die erste Temperaturzone 11 und anders als die zweite Temperaturzone 13 zu temperieren.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vor- richtung ferner eine Druckquelle 25, welche dazu ausgebildet ist, eine Öffnung 24 des Fluidikmoduls 1 mit einem beeinflussbaren Druck zu beaufschlagen.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Temperier- einrichtung 12 wenigstens ein Temperierelement 36 auf, welches als Peltie- relement, als Infrarotelement, als Widerstandheizelement oder als Kühlelement ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße System zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit FL umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Fluidikmodul 1 zum biochemischen Prozessieren der Flüssigkeit FL; und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls 1 zum biochemischen Prozessieren der Flüssigkeit FL.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Fluidikmoduls 1 zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit umfasst folgende Schritte: a) Rotieren des Fluidikmoduls 1 ; b) Temperieren der ersten Temperaturzone 11 , derart, dass eine Temperatur der ersten Temperaturzone 11 für einen Prozessierschritt einer ersten Art geeignet ist, und Temperieren der zweiten Temperaturzone 13, derart, dass eine Temperatur der zweiten Temperaturzone 13 für einen Prozessierschritt einer zweiten Art geeignet ist; c) Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit ω und/oder des statischen Überdrucks P, derart, dass die Flüssigkeit durch den Fluidkanal 10 in die erste Fluidkammer 2 getrieben wird; d) Durchführung des Prozessierschritts der ersten Art an der in die erste Flu- idkammer 2 getriebenen Flüssigkeit FL unter Einfluss der Temperatur der ersten Temperaturzone 11 ; e) Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit ω und/oder des statischen Überdrucks P, derart, dass die Flüssigkeit FL durch den Fluidkanal 10 in die zwei- te Fluidkammer 7 getrieben wird; f) Durchführung des Prozessierschritts der zweiten Art an der in die zweite Fluidkammer 7 getriebenen Flüssigkeit FL unter Einfiuss der Temperatur der zweiten Temperaturzone 13; und g) ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte c bis f.
Im ersten Ausführungsbeispiel umfasst der scheibenförmige zentrifugal- mikrofluidischen Testträger 15 ein Substrat 37 und einen Deckel 38. Der scheibenförmige zentrifugal-mikrofluidische Testträger 15 kann ein oder mehrere erfindungsgemäße Fluidikmodule 1 aufweisen, von denen in der Figur 7 beispielhaft zwei dargestellt sind. Das Substrat 37 und der Deckel 38 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der zentrifugal-mikrofluidische Testträger 15 an der Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls 1 , insbesondere lösbar, befestigt sein kann.
Die Befestigung kann über eine übliche Befestigungseinrichtung 39 der Vorrichtung an einem rotierenden Teil 40 einer Antriebsvorrichtung 35 erfolgen. Das rotierende Teil 40 ist drehbar an einem stationären Teil 41 der Antriebsvorrichtung 35 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 35 kann es sich bei- spielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln.
In Figur 7 ist der Deckel 38 auf der der Antriebsvorrichtung 35 abgewandten Seite des Substrats 37 angeordnet. Alternativ könnte der Deckel 38 auf der der Antriebsvorrichtung 35 zugewandten Seite des Substrats 37 angeordnet sein.
Eine Steuereinrichtung 42 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 35 zu steuern, um den zentrifugal-mikrofluidische Test- träger 15 mit Rotationen mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten ω zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 42 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 42 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 35 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des zentrifugal-mikrofluidischen Testträgers 15 zu bewirken. In jedem Fall ist die Steuereinrichtung 42 konfiguriert, um die Antriebsvorrichtung 35 zu steuern, um den zentrifugal-mikrofluidischen Testträger 15 mit den erforderlichen Winkelgeschwindigkeiten ω zu beaufschlagen, um die Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 35 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
Der zentrifugal-mikrofluidische Testträger 15 weist die erforderlichen Flu- idikstrukturen des oder der Fluidikmodule 1 auf. Die erforderlichen Flu- idikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 38, dem Substrat 37 oder in dem Substrat 37 und dem Deckel 38 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 37 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 38 gebildet sind.
Figur 8 zeigt das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines daran angeordneten zentrifugal-mikrofluidischen Testträgers in einer schematischen Seitenansicht. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere Fluidikmodule 1 in einen Rotor 43 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den scheibenförmigen zentrifugal- mikrofluidischen Testträger 15. Die Fluidikmodule 1 können jeweils ein Substrat 44 und einen Deckel 45 aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 43 und die Flu- idikmodule 1 gebildete zentrifugal-mikrofluidische Testträger 15 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 35, die durch die Steuereinrichtung 42 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
In Figur 8 sind die Deckel 45 auf der der Antriebsvorrichtung 35 abgewand- ten Seite der Substrate 44 angeordnet. Alternativ könnten die Deckel 45 auf der der Antriebsvorrichtung 35 zugewandten Seite der Substrats 44 angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul 1 bzw. der zentrifugal-mikrofluidische Testträger 15, das bzw. der die fluidischen Strukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie Cycloolefinpolymere, Cycloelefincopo- lymere, PMMA (Polymethylmethacrylat), Polycarbonat, PVC (Polyvinylchlorid), PP (Polypropylen) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der zentrifugal-mikrofluidische Testträger 15 kann als eine zentrifugal- mikrofluidische Plattform betrachtet werden.
Ferner ist in den Figuren 7 und 8 rein schematisch eine Temperiereinrichtung 12 zum Temperieren der ersten Temperaturzone 11 , zum davon unabhängigen Temperieren der zweiten Temperaturzone 13 und zum davon unabhän- gigen Temperieren der dritten Temperaturzone 20 des oder der Fluidikmodu- le 1 dargestellt. Die Temperiereinrichtung 12 weist in Ausführungsbeispieien mehrere Temperierelemente 36 auf, von den jedes genau einer der Temperaturzonen 11 , 13, 20 zugeordnet sein kann. Darüber hinaus ist, ebenfalls rein schematisch, eine feststehende Druckquelle 25 gezeigt, welche dazu vorgesehen ist, Öffnungen 24 des oder der Flu- idikmodule 1 mit einem beeinflussbaren Druck zu beaufschlagen, um so den statischen Überdruck P zu beeinflussen. Weitere nicht gezeigte Ausführungsbeispiele umfassen beliebige Kombinationen der aufgeführten Ausführungsbeispiele die durch parallele Anordnung und/oder Prozessierung gegeben sind.
Bezugszeichen i
1 Fluidikmodul
2 erste Fluidkammer
3 Entlüftungseinrichtung
4 der Rotationsachse zugewandter Bereich
5 Flüssigkeitsöffnung
6 der Rotationsachse abgewandter Bereich
7 zweite Fluidkammer
8 Flüssigkeitsöffnung
9 der Rotationsachse abgewandter Bereich
10 Fluidkanal erste Temperaturzone
Temperiereinrichtung
zweite Temperaturzone
zentrifugal-mikrofluidischer Testträger
Gasöffnung
der Rotationsachse zugewandter Bereich
Gaskanal
Komprimierungskammer
dritte Temperaturzone
Gasöffnung
Druckkanai
Öffnung
Druckquelle
Gasöffnung
Ausgleichkanal
Öffnung
der Rotationsachse abgewandter Bereich inverse Siphonstruktur
Meniskus
thermischer Isolator
biochemischer Sensor
biochemischer Sensor
Antriebsvorrichtung
Temperierelement
Substrat
Deckel
Befestigungseinrichtung
rotierendes Teil
stationäres Teil
Steuereinrichtung
Rotor
Substrat 45 Deckel
FL Flüssigkeit
ω Winkelgeschwindigkeit
RA Rotationsachse
GS Gas
P statischer Überdruck
ZD Zentrifugaldruck
T Temperatur
FZ Zentrifugalkraft
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Claims

Patentansprüche
Fluidikmodul zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit (FL), welches mit einer beeinflussbaren Winkelgeschwindigkeit (ω) um eine Rotationsachse (RA) drehbar ist, umfassend: eine erste Fluid kammer (2) mit einer Entlüftungseinrichtung (3), welche an einem der Rotationsachse (RA) zugewandten Bereich (4) der ersten Fluidkammer (2) angeordnet ist, und mit einer Flüssigkeitsöffnung (5), welche an einem der Rotationsachse (RA) abgewandten Bereich (6) der ersten Fluidkammer (2) angeordnet ist; eine zweite Fluidkammer (7) mit einer Flüssigkeitsöffnung (8), welche an einem der Rotationsachse (RA) abgewandten Bereich (9) der zweiten Fluidkammer (7) angeordnet ist; ein Fluidkanal (10), der die Flüssigkeitsöffnung (5) der ersten Fluidkammer (2) mit der Flüssigkeitsöffnung (9) der zweiten Fluidkammer (7) fluid- leitend verbindet; wobei die erste Fluidkammer (2) im Wesentlichen in einer kreisringförmigen ersten Temperaturzone (11 ) mit einem auf der Rotationsachse (RA) liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während einer Drehung des Fluidmoduls (1 ) mit einer Temperiereinrichtung (12) temperierbar ist, und wobei die zweite Fluidkammer (7) im Wesentlichen in einer kreisringförmigen zweiten Temperaturzone (13) mit einem auf der Rotationsachse (RA) liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während der Drehung des Fluidmoduls (1 ) mit der Temperiereinrichtung (12) anders als die erste Temperaturzone (11 ) temperierbar ist und in Bezug auf die Rotationsachse (RA) weiter außen liegt als die erste Temperaturzone (11 ); wobei die Flüssigkeit (FL) durch den Fluidkanal (10) in die zweite Fluidkammer (7) getrieben wird, wenn ein von der Winkelgeschwindigkeit (ω) abhängiger Zentrifugaldruck größer als ein durch ein kompressibles Gas (GS) erzeugter statischer Überdruck (P) in der zweiten Fluidkammer (7) ist und wobei die Flüssigkeit (FL) durch den Fluidkanal (10) in die erste Fluidkammer (2) getrieben wird, wenn der von der Winkelgeschwindigkeit (ω) abhängige Zentrifugaldruck (ZD) kleiner als der durch das kompres- sible Gas (GS) erzeugte statische Überdruck (P) in der zweiten Fluidkammer (7) ist, so dass die Flüssigkeit (FL) durch eine Beeinflussung der Winkelgeschwindigkeit (ω) und/oder des statischen Überdrucks (P) wiederholbar zwischen der ersten Temperaturzone (11 ) und der zweiten Temperaturzone (13) hin- und hertreibbar ist.
2. Fluidikmodul nach vorstehendem Anspruch, wobei die zweite Fluidkammer (7) geschlossen ausgeführt ist, so dass das kompressible Gas in der zweiten Fluidkammer (7) komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit (FL) in die zweite Fluidkammer (7) getrieben wird, so dass dadurch der statische Überdruck (P) des kompressiblen Gases (GS) erhöht wird.
3. Fluidikmodul nach Anspruch 1 , wobei die zweite Fluidkammer (7) eine Gasöffnung (16) aufweist, welche an einem der Rotationsachse (RA) zugewandten Bereich (17) der zweiten Fluidkammer (7) angeordnet und über einen Gaskanal (18) fluidleitend mit einer geschlossen ausgeführten Komprimierungskammer (19) verbunden ist, so dass das kompressible Gas (GS) in der zweiten Fluidkammer (7) und in der Komprimierungskammer (19) komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit (FL) in die zweite Fluidkammer (7) getrieben wird, so dass dadurch der statische Überdruck (P) des kompressiblen Gases (GS) erhöht wird.
4. Fluidikmodul nach vorstehendem Anspruch, wobei die Kompressionskammer (19) im Wesentlichen in einer kreisringförmigen dritten Temperaturzone (20) mit einem auf der Rotationsachse (RA) liegenden Mittelpunkt angeordnet ist, welche während einer Drehung des Fluidmoduls (1 ) mit der Temperiereinrichtung (12) anders als die erste Temperaturzone (11 ) und anders als die zweite Temperaturzone (13) temperierbar ist.
5. Fluidikmodul nach Anspruch 1 , wobei die zweite Fluidkammer (7) eine Gasöffnung (22) aufweist, welche an einem der Rotationsachse (RA) zugewandten Bereich (17) der zweiten Fluidkammer (7) angeordnet und über einen Druckkanal (23) fluidleitend mit einer Öffnung (24) des Flu- idikmoduls (1 ) verbunden ist, welche mit einer feststehenden Druckquelle (25) mit einem beeinflussbaren Druck beaufschlagbar ist, um so den statischen Überdruck (P) zu beeinflussen.
6. Fluidikmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Fluidkammer (2) eine Gasöffnung (26) aufweist, welche an dem der Rotationsachse (RA) zugewandten Bereich (4) der ersten Fluidkammer (2) angeordnet und über einen Ausgleichkanal (27) fluidleitend mit einer Öffnung (28) des Fluidkanals (10) verbunden ist, welche an einem der Rotationsachse (RA) abgewandten Bereich (29) des Fluidkanals (10) ange- ordnet ist.
7. Fluidikmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Fluid- kanal (10) eine inverse Siphonstruktur (30) aufweist, welche in Bezug auf die Rotationsachse (RA) weiter außen liegt als die zweite Fluidkammer (7).
8. Fluidikmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwischen zwei benachbarten Temperaturzonen (11 , 13) der besagten Temperaturzonen (11 , 13, 20) ein thermischer Isolator (32) angeord- net ist.
9. Fluidikmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der ersten Fluidkammer (2) und/oder in der zweiten Fluidkammer (7) ein oder mehrere biochemische Sensoren (33, 34) angeordnet sind.
10. Vorrichtung zum Betreiben eines Fluidikmoduls (1 ) zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit (FL) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Antriebsvorrichtung (35) zum Drehen des Fluidikmoduls (1 ) um die Rotationsachse (RA) mit einer beeinflussbaren Winkelgeschwindigkeit (ω); und eine Temperiereinrichtung (12), welche dazu ausgebildet ist, eine kreis- ringförmige erste Temperaturzone (11 ) des Fluidikmoduls (1 ) während einer Drehung des Fluidikmoduls (1 ) zu temperieren und welche dazu ausgebildet ist, eine kreisringförmige zweite Temperaturzone (13) des Fluidikmoduls (1 ) während der Drehung des Fluidikmoduls (1 ) anders als die erste Temperaturzone ( 1 ) zu temperieren.
11. Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei die Temperiereinrichtung (12) dazu ausgebildet ist, eine kreisringförmige dritte Temperaturzone (20) des Fluidikmoduls (1 ) während der Drehung des Fluidmoduls (1 ) anders als die erste Temperaturzone (11 ) und anders als die zweite Temperaturzone (13) zu temperieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , welche ferner umfasst: eine Druckquelle (25), welche dazu ausgebildet ist, eine Öffnung (24) des Fluidikmoduls (1 ) mit einem beeinflussbaren Druck zu beaufschla- gen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Temperiereinrichtung (12) wenigstens ein Temperierelement (36) aufweist, welches als Peltierelement, als Infrarotelement, als Widerstandheizelement oder als Kühlelement ausgebildet ist.
14. System zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit (FL), wobei das System umfasst: mindestens ein Fluidikmodul (1 ) zum biochemischen Prozessieren der Flüssigkeit (FL) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; und eine Vorrichtung zum Betreiben des Fluidikmoduls (1 ) zum biochemischen Prozessieren der Flüssigkeit (FL) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
15. Verfahren zum Betreiben eines Fluidikmoduls (1 ) zum biochemischen Prozessieren einer Flüssigkeit (FL) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Rotieren des Fluidikmoduls (1 ); b) Temperieren der ersten Temperaturzone (11 ), derart, dass eine Temperatur der ersten Temperaturzone (11 ) für einen Prozessierschritt einer ersten Art geeignet ist, und Temperieren der zweiten Temperaturzone (13), derart, dass eine Temperatur der zweiten Temperaturzone (13) für einen Prozessierschritt einer zweiten Art geeignet ist; c) Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit (ω) und/oder des statischen Überdrucks (P), derart, dass die Flüssigkeit durch den Fluidkanal (10) in die erste Fluid kammer (2) getrieben wird; d) Durchführung des Prozessierschritts der ersten Art an der in die erste Fluidkammer (2) getriebenen Flüssigkeit (FL) unter Einfluss der Temperatur der ersten Temperaturzone (11 ); e) Beeinflussen der Winkelgeschwindigkeit (ω) und/oder des statischen Überdrucks (P), derart, dass die Flüssigkeit (FL) durch den Fluidkanal (10) in die zweite Fluidkammer (7) getrieben wird; f) Durchführung des Prozessierschritts der zweiten Art an der in die zweite Fluidkammer (7) getriebenen Flüssigkeit (FL) unter Einfluss der Temperatur der zweiten Temperaturzone (13); und g) ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte c) bis f).
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