WO2018011085A1 - Handling of liquids using a fluid module having a fluid plane that is inclined with respect to a rotation plane - Google Patents

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WO2018011085A1
WO2018011085A1 PCT/EP2017/067118 EP2017067118W WO2018011085A1 WO 2018011085 A1 WO2018011085 A1 WO 2018011085A1 EP 2017067118 W EP2017067118 W EP 2017067118W WO 2018011085 A1 WO2018011085 A1 WO 2018011085A1
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Nils Paust
Markus Rombach
Mark Keller
Felix Von Stetten
Marc Karle
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Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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Definitions

  • Embodiments thus relate to a centrifugal microfluidics related to the handling of liquids in the femtoliter to milliliter range in rotating systems.
  • Such systems are mostly polymer disposable cartridges used in or rather from centrifuge rotors with the intention of automating laboratory processes.
  • Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting may be implemented in a microfluidic cartridge, which may be referred to as a fluidic module.
  • the cartridges contain channels for fluid guidance, as well as chambers for collecting liquids.
  • the cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the fluids in the cartridges can be moved by the centrifugal force.
  • Centrifugal microfluidics is mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics.
  • the most common cartridges to date are centrifugal microfluidic discs, known for example as "Lab-on-a-disk”, “LabDisk”, “Lab-on-CD”, which are used in special processing equipment.
  • EP 0 778 950 B1 discloses a cartridge or a disposable module for examining biological samples.
  • the cartridge itself is made up of several layers. Microfluidic structures and channels are contained inside the cartridge.
  • the cartridges are designed as segments of a circle so that multiple cartridges can be processed in parallel.
  • the cartridges are arranged side by side on a rotary body, so that they form a circle and are processed horizontally. you can. In other words, the liquid levels of the cartridges are arranged in the plane of rotation.
  • Embodiments provide a method of handling liquids using a corresponding apparatus comprising introducing a liquid into the fluidic structures and inserting the fluidic module into the rotary body or attaching the fluidic module to the rotary body, and rotating the rotary body to handle the liquid.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a device for handling liquids with a fluidic module
  • FIG. 3 is a schematic representation of a fluidic module
  • Fig. 4 is a schematic representation of an arrangement of a plurality of fluidic modules
  • FIG. 6 is a schematic representation of a device having a first axis of rotation and a second axis of rotation;
  • FIG. 13 is a schematic representation of an alternative embodiment of a device in which a fluidic module is arranged offset with respect to the radial direction.
  • a structure is gemei nt, whose length dimension is greater from a fluid inlet to a fluid outlet, for example, more than 5 times or more 10 times greater than the dimension or dimensions that define or define the flow cross-section.
  • a fluid channel has a flow resistance for a flow through it from the fluid inlet to the fluid outlet.
  • a fluid chamber herein is a chamber having dimensions such that a relevant flow resistance does not occur in it.
  • the rotary body 10 has the shape of a circular disc with a center 20 around which the disc 10 is rotatable.
  • the rotation axis 22 of the rotation body 10 extends through the center 20.
  • the rotation axis 22 defines a rotation plane on which the rotation axis 22 is perpendicular.
  • the fluidic module may be formed of any suitable material, for example, a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinyl chloride) or PDMS (polydimethylsiloxane), glass or the like.
  • the fluidic module has multiple layers, wherein the fluidic structures may be formed in one or more of the layers.
  • the outer layers may be lid layers so that the fluidic structures are closed.
  • One or more filling openings or outlet openings may be provided in the cover layers. These can be lockable.
  • One of the axes of rotation, the axis of rotation 22, represents the main axis of rotation, while the other axis of rotation, the axis of rotation 62, rotates about the main axis of rotation, wherein the fluidic modules 66 in turn rotate about the second axis of rotation 62.
  • the rotation axes are skewed. Both axes of rotation may be within but also outside the fluidic modules. There is no need for explicit explanation that the rotation body 10 is designed accordingly to a corresponding rotation of the second rotating body 66, for example, by a corresponding recess in the rotating body 10th
  • FIG. 7 shows schematically an example of a device for handling liquids with a rotary body 10 into which fluidic modules 14 are inserted.
  • a drive device 70 for the rotary body 10 may have a rotating part 72, on which the rotary body 10 is mounted.
  • the rotary body 10 may be attached to the rotating part 72 by means of a hook-and-loop fastener.
  • the rotary body 10 can have a central opening, via which the rotary body 10 can be attached to the rotating part 72 of the drive device 70 by means of a conventional fastening device.
  • the rotating part 72 is rotatably supported on a stationary part 74 of the drive device 70.
  • the drive device 70 can be, for example, a conventional centrifuge with an adjustable rotational speed.

Abstract

A device for handling liquids making use of centrifugal force has a rotation body with a holder for a fluid module, wherein the rotation body has a rotation axis about which the rotation body can be rotated and which defines a rotation plane on which the rotation axis is vertical. A fluid module can be inserted into the holder or attached to the holder. Fluid structures are formed in a fluid plane in the fluid module. When the fluid module is inserted into the holder or attached to the holder, the fluid plane is inclined at an angle to the rotation plane and a) either one of two mutually perpendicular spatial directions that define the fluid plane runs radially with respect to the rotation axis, or b) a straight line in the rotation plane running through the rotation axis, which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular spatial directions, does not intersect the fluid module.

Description

Handhabung von Flüssigkeiten unter Verwendung eines Fluidikmoduis mit bezüglich einer Rotationsebene geneigter Fluidikebene  Handling of liquids using a Fluidikmoduis with respect to a plane of rotation inclined Fluidikebene
Beschreibung description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, und insbesondere solche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen eine Fluidikebene eines Fluidikmoduis bezüglich einer Rotationsebene geneigt ist. Embodiments of the present invention relate to apparatus and methods for handling liquids utilizing centrifugal force, and more particularly to such apparatus and methods in which a fluidic plane of a fluidic module is inclined with respect to a plane of rotation.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf eine zentrifugale Mikrofluidik, die sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen bezieht. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstel- le von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht, Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche, die als Fluidikmodul bezeichnet werden kann, implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Die Kartuschen werden mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik. Die bislang häufigste Ausführung von Kartuschen sind zentrifugal-mikrofluidische Scheiben, die beispielsweise unter den Bezeichnungen„Lab-on-a-disk",„LabDisk",„Lab-on-CD" bekannt sind, die in spezielle Prozessiergeräte eingesetzt werden. Embodiments thus relate to a centrifugal microfluidics related to the handling of liquids in the femtoliter to milliliter range in rotating systems. Such systems are mostly polymer disposable cartridges used in or rather from centrifuge rotors with the intention of automating laboratory processes. Standard laboratory processes such as pipetting, centrifuging, mixing or aliquoting may be implemented in a microfluidic cartridge, which may be referred to as a fluidic module. For this purpose, the cartridges contain channels for fluid guidance, as well as chambers for collecting liquids. The cartridges are subjected to a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, so that the fluids in the cartridges can be moved by the centrifugal force. Centrifugal microfluidics is mainly used in laboratory analysis and mobile diagnostics. The most common cartridges to date are centrifugal microfluidic discs, known for example as "Lab-on-a-disk", "LabDisk", "Lab-on-CD", which are used in special processing equipment.
Es sind zahlreiche Lösungsansätze bekannt, die eine parallele Handhabung von Flüssigkeiten in mehreren Kartuschen bzw. Fluidikmodulen ermöglichen. There are numerous solutions known that allow parallel handling of liquids in multiple cartridges or fluidic modules.
Aus der EP 0 778 950 B1 ist eine Kartusche bzw. ein Einwegmodul zur Untersuchung biologischer Proben bekannt. Die Kartusche selbst ist aus mehreren Lagen aufgebaut. Mikrofluidische Strukturen und Kanäle sind im Inneren der Kartusche enthalten. Die Kartuschen sind als Segmente eines Kreises entworfen, so dass mehrere Kartuschen parallel prozessiert werden können. Hierfür werden die Kartuschen nebeneinander auf einem Rotationskörper angeordnet, so dass sie einen Kreis bilden und horizontal prozessiert wer- den können. Mit anderen Worten sind die F!uidikebenen der Kartuschen in der Rotationsebene angeordnet. EP 0 778 950 B1 discloses a cartridge or a disposable module for examining biological samples. The cartridge itself is made up of several layers. Microfluidic structures and channels are contained inside the cartridge. The cartridges are designed as segments of a circle so that multiple cartridges can be processed in parallel. For this purpose, the cartridges are arranged side by side on a rotary body, so that they form a circle and are processed horizontally. you can. In other words, the liquid levels of the cartridges are arranged in the plane of rotation.
Aus der US 2007/0095393 A1 sind Vorrichtungen zum Prozessieren von Fluiden bekannt, bei denen zwei Lagen jeweils mikrofluidische Strukturen aufweisen. Diese beiden Lagen sind durch eine dritte Lage getrennt. Mittels eines Lasers können Löcher in die dritte Lage eingebracht werden, um hierdurch Strukturen oder Kanäle der Lagen 1 und 2 miteinander zu verbinden. Auch hier ist bei der Verarbeitung eine Fluidikebene horizontal angeordnet. Von der Firma„spinX technologies" ist ein sogenannter„gStack" bekannt, der einen Behälter darstellt, in dem mehrere Kartuschen angeordnet sind. Zur Prozessierung von Flüssigkeiten unter Verwendung der Kartuschen kann der gStack in das Gerät zur Analyse eingebracht werden, woraufhin ein Greifer die einzelnen Kartuschen entnimmt und sie in einen Rotor einlegt. In dem Rotor werden die Kartuschen horizontal prozessiert. Während der Prozessierung werden mit einem Laser Löcher als Verbindungen zwischen den mikro- fluidischen Strukturen in den Lagen eingebracht, wobei auf diese Weise während der Prozessierung die Flüssigkeiten gesteuert werden können. US 2007/0095393 A1 discloses devices for processing fluids, in which two layers each have microfluidic structures. These two layers are separated by a third layer. Holes may be introduced into the third layer by means of a laser to thereby connect structures or channels of the layers 1 and 2 together. Again, a Fluidikebene is arranged horizontally during processing. From the company "spinX technologies" a so-called "gStack" is known, which represents a container in which several cartridges are arranged. To process liquids using the cartridges, the gStack can be placed in the analyzer, whereupon a gripper removes the individual cartridges and inserts them into a rotor. In the rotor, the cartridges are processed horizontally. During processing, holes are made with a laser as connections between the micro fluidic structures in the layers, in which way the liquids can be controlled during the processing.
Yeo, Joo Chuan; Wang, Zhiping; Lim, Chwee Teck (2015): Microfluidic size Separation of cells and particles using a swinging bücket centrifuge, in: Biomicrofluidics 9 (5), S. 0541 14. DOI: 10.1063/1.4931953, beschreiben eine mikrofluidische Trennung von Zellen und Partikeln unter Verwendung eines Ausschwingrotors. Ein PDMS-Chip wird in eine Halterung eines Ausschwingrotors gelegt. Unter Rotation schwingt die Halterung mit dem Chip aus. In der Zeit bis zum Ausschwingen der Halterung ist der Chip horizontal ange- ordnet und die geladene Probe wird durch den Zentrifugaldruck weiterbewegt. Zusätzlich werden im flachen Separationskanal Partikel nach der Größe separiert. Größere Partikel bewegen sich schneller radial nach außen als kleinere Partikel. Yeo, Joo Chuan; Wang, Zhiping; Lim, Chwee Teck (2015): Microfluidic separation of cells and particles using a swinging centrifuge, in: Biomicrofluidics 9 (5), p. 0541 14. DOI: 10.1063 / 1.4931953, describe microfluidic separation of cells and particles using a swing-bucket rotor. A PDMS chip is placed in a holder of a swing-bucket rotor. Under rotation, the holder swings out with the chip. In the time until the holder swings out, the chip is arranged horizontally and the charged sample is moved further by the centrifugal pressure. In addition, particles are separated by size in the flat separation channel. Larger particles move radially outward faster than smaller particles.
Es besteht ein Bedarf nach Vorrichtungen und Verfahren zum Handhaben von Flüssigkei- ten, bei denen radial innen mehr Platz für fluidische Strukturen zur Verfügung steht und/oder die eine Parallelisierung mit einer erhöhten Integrationsdichte ermöglichen. There is a need for devices and methods for handling liquids in which more space is available radially inward for fluidic structures and / or which allow parallelization with an increased integration density.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung decken diesen Bedarf durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, mit folgenden Merkmalen: einem Rotationskörper mit einer Halterung für ein Fluidikmodul, wobei der Rotationskör- per eine Rotationsachse aufweist, um die der Rotationskörper drehbar ist und die eine Rotationsebene definiert, auf der die Rotationsachse senkrecht steht; einem Fluidikmodul, das in die Halterung einbringbar oder an der Halterung anbringbar ist, in dem die Fluidikstrukturen gebildet sind, wobei eine Erstreckung der Fluidikstruktu- ren in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen um ein Vielfaches größer ist als eine Erstreckung der Fluidikstrukturen in einer dritten Raumrichtung, die senkrecht zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist, wobei die erste und die zweite Raumrichtung eine Fluidikebene definieren, wobei, wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel bezüglich der Rotationsebene geneigt ist, und entweder a) eine der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen bezüglich der Rotationsachse radial verläuft oder b) eine durch die Rotationsachse verlaufende Gerade in der Rotationsebene, die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raum- richtungen ist, das Fluidikmodul nicht schneidet. Embodiments of the present invention cover this need by an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 15. Further developments of the invention are set forth in the dependent claims. Embodiments of the invention provide a device for handling liquids using centrifugal force, comprising: a rotary body with a holder for a fluidic module, wherein the rotary body has an axis of rotation about which the rotary body is rotatable and which defines a plane of rotation the axis of rotation is vertical; a fluidic module, which can be introduced into the holder or attached to the holder, in which the fluidic structures are formed, wherein an extension of the Fluidikstruktu- ren in two mutually perpendicular directions in space is many times greater than an extension of the fluidic structures in a third spatial direction, the perpendicular to the first and second spatial directions, wherein the first and second spatial directions define a fluidic plane, wherein, when the fluidic module is inserted into the bracket or attached to the bracket, the fluidic plane is inclined at an angle to the plane of rotation, and either a) one of the two mutually perpendicular spatial directions with respect to the axis of rotation extends radially or b) a line extending through the axis of rotation in the plane of rotation, which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular spatial directions, does not intersect the fluidic module.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung, das das Einbringen einer Flüssigkeit in die Fluidikstrukturen und das Einbringen des Fluidikmoduls in den Rotationskörper oder das Anbringen des Fluidikmoduls an den Rotationskörper, und das Drehen des Rotationskörpers zum Handhaben der Flüssigkeit aufweist. Embodiments provide a method of handling liquids using a corresponding apparatus comprising introducing a liquid into the fluidic structures and inserting the fluidic module into the rotary body or attaching the fluidic module to the rotary body, and rotating the rotary body to handle the liquid.
Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass durch ein Neigen der Fluidikebene relativ zu der Rotationsebene radial innen mehr Raum für die Fluidikebenen zur Verfü- gung steht. Ferner wurde erkannt, dass es durch eine entsprechende Anordnung eines Fluidikmoduls relativ zu einer Rotationsebene möglich ist, mehrere Fluidikmodule in einer entsprechenden Anordnung mit einer höheren Integrationsdichte auf dem Rotationskörper anzuordnen. Dadurch ermöglichen Ausführungsbeispiele eine gleichzeitige Prozessierung von Flüssigkeiten unter Verwendung einer größeren Anzahl von Fluidikmodulen bei gleichbleibendem Platzbedarf. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are based on the finding that by inclining the fluidic plane relative to the plane of rotation radially inside more space is available for the fluidic planes. Furthermore, it has been recognized that it is possible by means of a corresponding arrangement of a fluidic module relative to a plane of rotation to arrange a plurality of fluidic modules in a corresponding arrangement with a higher integration density on the rotation body. As a result, embodiments enable a simultaneous processing of liquids using a larger number of fluidic modules with the same space requirement. Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten mit einem Fluidikmodul; Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a device for handling liquids with a fluidic module;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten mit zwei Fluidikmodulen; FIG. 2 shows a schematic illustration of a device for handling liquids with two fluidic modules; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fluidikmoduls; 3 is a schematic representation of a fluidic module;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Vielzahl von Fluidikmodulen; Fig. 4 is a schematic representation of an arrangement of a plurality of fluidic modules;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Fluidikmoduls relativ zu einer Rotationsebene; 5 shows a schematic representation of an arrangement of a fluidic module relative to a plane of rotation;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer ersten Rotationsachse und einer zweiten Rotationsachse; 6 is a schematic representation of a device having a first axis of rotation and a second axis of rotation;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten mit einer Antriebseinrichtung; 7 shows a schematic illustration of a device for handling liquids with a drive device;
Fig. 8a und 8b schematische Darstellungen eines Fluidikmoduls; 8a and 8b are schematic representations of a fluidic module;
Fig. 9 bis 12 schematische Darstellung zur Erläuterung von Fluidikstrukturen; und 9 to 12 schematic representation for explaining fluidic structures; and
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, bei der ein Fluidikmodul bezüglich der radialen Richtung versetzt angeordnet ist. 13 is a schematic representation of an alternative embodiment of a device in which a fluidic module is arranged offset with respect to the radial direction.
In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist. Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sei zunächst daraufhin gewiesen, dass Beispiele der Erfindung insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden können, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich geht. Entsprechend können Fluidikstrukturen ge- eignete Abmessungen im Mikrometer-Bereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. In the following description of embodiments of the invention, the same or equivalent elements are provided with the same reference numerals in the figures, so that their description in the different embodiments with each other is interchangeable. Before embodiments of the invention are explained in more detail, it should firstly be pointed out that examples of the invention can be applied in particular in the field of centrifugal microfluidics, which involves the processing of liquids in the femtoliter to milliliter range. Correspondingly, fluidic structures can have suitable dimensions in the micrometer range for handling corresponding volumes of liquid.
Wird hierin der Ausdruck .radial" verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums (also der Rotationsachse), um das der Rotationskörper und somit das Fluidik- modul drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Ka- nal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigend bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann. Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidaus- lass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierin eine Kammer, die solche Abmessungen aufweist, dass ein relevanter Strömungswiderstand in derselben nicht auftritt. When the term "radial" is used herein, it is meant radial with respect to the center of rotation (ie, the axis of rotation) about which the body of revolution and thus the fluidic module is rotatable, thus radially sloping away from the center of rotation in the centrifugal field A fluid passage whose start is closer to the center of rotation than the end thereof is thus radially sloping, while a fluid passage whose beginning is farther from the center of rotation than the end thereof is radially increasing Channel, which has a radially rising portion, thus has directional components that extend radially inward or radially in. It is clear that such a channel does not have to run exactly along a radial line, but at an angle to the radial If this is referred to as a fluid channel, then a structure is gemei nt, whose length dimension is greater from a fluid inlet to a fluid outlet, for example, more than 5 times or more 10 times greater than the dimension or dimensions that define or define the flow cross-section. Thus, a fluid channel has a flow resistance for a flow through it from the fluid inlet to the fluid outlet. In contrast, a fluid chamber herein is a chamber having dimensions such that a relevant flow resistance does not occur in it.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten, die einen Rotationskörper 10 mit einer Halterung 12 für ein Fluidikmodul 14 aufweist. Bei der Darstellung in Fig. 1 ist das Fluidikmodul 14 zu Darstellungszwecken nicht vollständig in die Halterung 12 eingebracht. Bei der Halterung 12 kann es sich beispielsweise um eine Ausnehmung handeln, in die das Fluidikmodul 14 eingebracht werden kann, so dass das Modul 14 während einer Rotation des Rotationskörpers in der Ausnehmung gehalten wird. Beispielsweise kann das Fluidikmodul 14 von oben in die entsprechende Ausnehmung eingebracht werden. Alternative Halterungen sind möglich, beispielsweise eine Klemmvorrichtung, an der das Fluidikmodul angebracht werden kann. In dem Fluidikmodul sind Fluidikstrukturen 16 gebildet, die in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien dargestellt sind. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der Rotationskörper 10 die Form einer kreisförmigen Scheibe mit einem Mittelpunkt 20, um die die Scheibe 10 drehbar ist. Durch den Mittelpunkt 20 verläuft die Rotationsachse 22 des Ro- tationskörpers 10. Die Rotationsachse 22 definiert eine Rotationsebene, auf der die Rotationsachse 22 senkrecht steht. 1 shows schematically an embodiment of a device for handling liquids, which has a rotation body 10 with a holder 12 for a fluidic module 14. In the illustration in FIG. 1, the fluidic module 14 is not completely inserted into the holder 12 for purposes of illustration. The holder 12 can be, for example, a recess into which the fluidic module 14 can be introduced so that the module 14 is held in the recess during a rotation of the rotational body. For example, the fluidic module 14 can be introduced from above into the corresponding recess. Alternative mounts are possible, for example a clamping device to which the fluidic module can be attached. In the fluidic module fluidic structures 16 are formed, which are shown in Fig. 1 by dotted lines. In the embodiment shown in Fig. 1, the rotary body 10 has the shape of a circular disc with a center 20 around which the disc 10 is rotatable. The rotation axis 22 of the rotation body 10 extends through the center 20. The rotation axis 22 defines a rotation plane on which the rotation axis 22 is perpendicular.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten, bei der zwei entsprechende Halterungen 12 in dem Rotationskörper 10 vorge- sehen sind, wobei zwei entsprechende Fluidikmodule 14 in die Halterungen 12 eingebracht bzw. an den Halterungen 12 angebracht sind. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann eine beliebige andere Anzahl von Fluidikmodulen entsprechend an dem Rotationskörper 10 angebracht sein. Bei Ausführungsbeispielen kann der Rotationskörper mit den angebrachten Fluidikmodulen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. FIG. 2 shows a schematic illustration of a device for handling liquids, in which two corresponding holders 12 are provided in the rotary body 10, two corresponding fluidic modules 14 being inserted into the holders 12 or attached to the holders 12. In alternative embodiments, any other number of fluidic modules may be appropriately attached to the rotary body 10. In embodiments, the rotary body may be rotationally symmetrical with the attached fluidic modules.
Wie Bezug nehmend auf Fig. 3 näher erläutert wird, ist die Erstreckung der Fluidikstrukturen 16 in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen x und y um ein Vielfaches größer als eine Erstreckung der Fluidikstrukturen in einer dritten Raumrichtung z, die senkrecht zu der ersten und der zweiten Raumrichtung ist, wobei die erste und die zweite Raumrich- tung x und y eine Fluidikebene definieren. Wenn das Fluidikmodul 14 in die Halterung 12 eingebracht oder an der Halterung 12 angebracht ist, ist die Fluidikebene um einen Winkel bezüglich der Rotationsebene, die in Fig. 3 durch das Bezugszeichen 24 angedeutet ist, geneigt. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel beträgt dieser Winkel 90°, so dass eine der beiden Raumrichtungen, nämlich die Raumrichtung y, bei dem gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel parallel zu der Rotationsachse 22 verläuft. Ferner verläuft bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die andere der Raumrichtungen, nämlich die Raumrichtung x, bezüglich der Rotationsachse radial. As will be explained in more detail with reference to FIG. 3, the extent of the fluidic structures 16 in two mutually perpendicular spatial directions x and y is many times greater than an extension of the fluidic structures in a third spatial direction z, which is perpendicular to the first and the second spatial direction , wherein the first and the second spatial direction x and y define a Fluidikebene. When the fluidic module 14 is inserted into the bracket 12 or attached to the bracket 12, the fluidic plane is inclined at an angle with respect to the plane of rotation indicated by reference numeral 24 in FIG. In the example shown in FIG. 3, this angle is 90 °, so that one of the two spatial directions, namely the spatial direction y, in the exemplary embodiment shown extends parallel to the axis of rotation 22. Furthermore, in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the other of the spatial directions, namely the spatial direction x, extends radially with respect to the axis of rotation.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen verläuft die eine der Raumrichtungen nicht radial, sondern kann versetzt zum Radius angeordnet sein, solange eine in der Rotationsebene durch die Rotationsachse verlaufende Gerade, die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen ist, das Fluidikmodul nicht schneidet. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in Fig. 13 gezeigt, in der eine radiale Richtung (Radius) durch einen Pfeil 26 dargestellt ist. Das Fluidikmodul 14, dessen eine Raumrichtung in radialer Richtung angeordnet ist (wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel) ist in Fig. 13 gestrichelt dargestellt. Ferner ist in Fig. 13 ein Fluidikmodul 14a, das zu dieser radialen Richtung versetzt angeordnet ist, dargestellt. Das Fluidikelement 14a ist jedoch hinsichtlich der radialen Richtung nur so weit versetzt, dass eine durch die Rotationsachse verlaufende Gerade, die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen ist, das Fluidikmodul nicht schneidet. Ein Beispiel einer solchen Gerade ist durch die Gerade g in Fig. 13 gezeigt. Bei dem in Fig. 13 gezeigten Beispiel ist das Fluidikmodul 14a parallel zu der radialen Richtung 26 angeordnet. Es ist jedoch klar, dass das zu der radialen Richtung versetzte Fluidikelement 14a auch in einem Winkel zur radialen Richtung angeordnet sein könnte. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, können die Fluidikstrukturen 16 Fluidkammern 30a, 30b, 30c und Fluidkanäle 32a, 32b aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass die gezeigten Fluidikstrukturen rein beispielhaft für beliebige Strukturen sind, die in dem Fluidikmodul gebildet sein können. Bei Ausführungsbeispielen weisen die Fluidikstrukturen zumindest zwei Fluidkammern auf, die durch zumindest einen Fluidkanal fluidisch miteinander ver- bunden sind. In alternative embodiments, the one of the spatial directions is not radial, but may be arranged offset to the radius, as long as a running in the plane of rotation through the axis of rotation straight, which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular directions, does not intersect the Fluidikmodul. An example of such an arrangement is shown in FIG. 13, in which a radial direction (radius) is represented by an arrow 26. The fluidic module 14, whose one spatial direction is arranged in the radial direction (as in the example shown in FIG. 1), is shown in dashed lines in FIG. Further, in Fig. 13, a fluidic module 14a is provided to this radial direction is arranged offset, shown. However, the fluidic element 14a is offset only so far with respect to the radial direction that a straight line passing through the axis of rotation, which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular spatial directions, does not intersect the fluidic module. An example of such a straight line is shown by the straight line g in FIG. In the example shown in FIG. 13, the fluidic module 14a is arranged parallel to the radial direction 26. However, it is understood that the fluidic element 14a offset from the radial direction could also be disposed at an angle to the radial direction. As shown in FIG. 3, the fluidic structures 16 may include fluid chambers 30a, 30b, 30c and fluid channels 32a, 32b. It should be noted that the fluidic structures shown are purely exemplary of any structures that may be formed in the fluidic module. In exemplary embodiments, the fluidic structures have at least two fluid chambers, which are fluidically connected to one another by at least one fluid channel.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Fluidikmodul aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Bei Ausführungsbeispielen weist das Fluidikmodul mehrere Schichten auf, wobei die Fluidikstrukturen in einer oder mehreren der Schichten gebildet sein können. Bei Ausführungsbeispielen können die äußeren Schichten Deckelschichten sein, so dass die Fluidikstrukturen geschlossen sind. Eine oder mehrere Einfüllöffnungen oder Auslassöffnungen können in den Deckelschichten vorgesehen sein. Diese können verschließbar sein. In embodiments, the fluidic module may be formed of any suitable material, for example, a plastic such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), PVC (polyvinyl chloride) or PDMS (polydimethylsiloxane), glass or the like. In embodiments, the fluidic module has multiple layers, wherein the fluidic structures may be formed in one or more of the layers. In embodiments, the outer layers may be lid layers so that the fluidic structures are closed. One or more filling openings or outlet openings may be provided in the cover layers. These can be lockable.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Fluidikmodul die Form einer Platte aufweisen, wobei die Länge und die Breite der Platte um ein Vielfaches größer sind als die Dicke der Platte und wobei die beiden Hauptoberflächen der Platte parallel zu der Fluidikebene sind. Das in den Fig. 1 und 3 gezeigte Fluidikmodul ist ein Beispiel für ein solches platten- bzw. kar- tenförmiges Fluidikmodul. Allgemein kann ein Bereich, in dem die Fluidikstrukturen in dem Fluidikmodul gebildet sind, platten- bzw. schichtförmig sein, wobei der schichtförmige oder plattenförmige Abschnitt in der Fluidikebene liegt. Bei Ausführungsbeispielen ist, wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel von 90 Grad bezüglich der Rotationsebene geneigt. Die Fig. 1 und 3 zeigen ein Beispiel für eine solche Anordnung, die eine hohe Integrationsdichte ermöglicht. Beispielsweise ist in Fig. 4 eine entsprechende Anordnung von 12 Fluidmodulen 14 gezeigt, die um die Rotationsachse 22 angeordnet sind. Ein Rotationskörper mit entsprechenden Halterungen für die Fluidikmo- dule 14 ist in Fig. 4 nicht dargestellt. Eine solche Anordnung ermöglicht eine parallele Prozessierung von mehreren Fluidikmodulen gleichzeitig. In embodiments, the fluidic module may have the shape of a plate, wherein the length and the width of the plate are many times greater than the thickness of the plate and wherein the two main surfaces of the plate are parallel to the Fluidikebene. The fluidic module shown in FIGS. 1 and 3 is an example of such a plate-shaped or card-shaped fluidic module. Generally, an area where the fluidic structures are formed in the fluidic module may be plate-shaped, with the layered or plate-shaped portion lying in the fluidic plane. In embodiments, when the fluidic module is inserted into the bracket or attached to the bracket, the fluidic plane is at an angle of 90 degrees with respect to inclined to the plane of rotation. Figs. 1 and 3 show an example of such an arrangement which enables a high integration density. For example, in FIG. 4, a corresponding arrangement of 12 fluid modules 14 is shown, which are arranged about the axis of rotation 22. A rotary body with corresponding holders for the fluidic modules 14 is not shown in FIG. 4. Such an arrangement enables a parallel processing of several fluidic modules simultaneously.
Allgemein weist bei Ausführungsbeispielen der Rotationskörper mehrere Halterungen zur entsprechenden Einbringung oder Anbringung eines jeweiligen Fluidikmoduls auf, wobei in jede der Halterungen ein entsprechendes Fluidikmodul eingebracht bzw. an derselben angebracht sein kann. Die Halterungen können derart angeordnet sein, dass der Mittenabstand der Halterungen an einem radial inneren Ende derselben in bezüglich der Rotationsachse azimutaler Richtung geringer ist als die Erstreckung der Fluidikmodule in der Fluidikebene. Diesbezüglich sei beispielsweise auf den in Fig. 4 dargestellten Mittenab- stand D verwiesen, der geringer ist als die Erstreckung der Fluidikmodule 14 in der Fluidikebene, die durch die Raumrichtungen x und y definiert ist. In general, in embodiments of the rotary body on a plurality of holders for the corresponding introduction or attachment of a respective fluidic module, wherein in each of the holders, a corresponding fluidic module can be introduced or attached to the same. The brackets may be arranged such that the center distance of the brackets at a radially inner end thereof in the azimuthal direction with respect to the axis of rotation is less than the extension of the fluidic modules in the fluidic plane. In this regard, reference is made, for example, to the center distance D shown in FIG. 4, which is smaller than the extent of the fluidic modules 14 in the fluidic plane, which is defined by the spatial directions x and y.
Bei Ausführungsbeispielen ist die Rotationsachse vertikal angeordnet. Bei Ausführungsbeispielen findet eine Prozessierung statt, während das Fluidikmodul (das auch als mikro- fluidische Kartusche bezeichnet werden kann, vertikal ausgerichtet ist). Anders ausgedrückt ist eine der zwei Raumrichtungen, die die Fluidikebene definieren, vertikal ausgerichtet. Die Rotationsachse kann dabei innerhalb oder außerhalb des Fluidikmoduls liegen. Bei den in Fig. 3 gezeigten Fluidikstrukturen können beispielsweise Fluide aus den beiden radial innen liegenden Kammern 30a zentrifugal durch die Kanäle 32a nach radial außen in die große zentrale Kammer 30b bewegt werden. Dort können die beiden Fluide gemischt werden und anschließend durch den weiterführenden Kanal 32b nach radial außen in die endständigen Kammern 30c aufgeteilt werden. Dort kann eine Nachweisreaktion stattfinden und ausgelesen werden. Eine Auslesung kann beispielsweise optisch erfolgen, beispielsweise durch eine Fluoreszenzmessung. Um eine solche Auslesung zu ermöglichen, können zumindest Teile des Rotationskörpers und des Fluidikmoduls transparent sein. Ferner können Spiegel und/oder Lichtleiter in dem Rotationskörper angeordnet sein, um Licht von einer Lichtquelle zu der jeweiligen Kammer, in der eine Nachweisreaktion stattfindet, umzulenken und Licht von der Kammer auf einen Detektor umzulenken. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist, wenn das Fluidikmodul in die Halterung eingebracht oder an der Halterung angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel in einem Bereich von 20 Grad bis 70 Grad bezüglich der Rotationsebene geneigt. Bei Ausführungsbeispielen ist die Fluidikebene um einen Winkel in einem Bereich von 30 Grad bis 60 Grad bezüglich der Rotationsebene geneigt. Beispielsweise zeigt Fig. 5 eine Anordnung des Fluidikmoduls, bei dem das Fluidikmodul 14 bezüglich der Rotationsebene 24 um einen Winkel α geneigt ist, der beispielsweise 45 Grad beträgt. Wie ferner in Fig. 5 gezeigt ist, ist das Fluidikmodul bzw. die Fluidikebene um einen Winkel von ß gegenüber der Rotationsachse 22 geneigt, wobei gilt α + ß = 90°. Es bedarf keiner separaten Erläute- rung, dass die jeweilige Halterung bzw. die jeweiligen Halterungen des Rotationskörpers angepasst sind, um das Fluidikmodul bzw. die Fluidikmodule in einer entsprechenden Ausrichtung bezüglich der Rotationsebene zu halten. Durch eine geneigte Anordnung, bei der das Fluidikmodul in einem anderen Winkel als 90 Grad relativ zu der Rotationsebene geneigt ist, beispielsweise in einem Winkel von 30° bis 60°, kann zum einen ein hoher Parallelisierungsgrad erhalten werden, während zum anderen die Fluidikmodule ohne komplexe Optik direkt ausgelesen werden können, indem ein direkter Lichteinfall zu den Fluidkammern, in denen das Auslesen stattfinden soll, möglich ist und nicht durch benachbarte Fluidikmodule blockiert wird. Bei Ausführungsbeispielen kann die Rotationsachse eine erste Rotationsachse sein, wobei die Halterung ausgebildet ist, um das Fluidikmodul drehbar um eine zweite Rotationsachse, die windschief zu der ersten Rotationsachse ist, zu lagern. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist rein schematisch in Fig. 6 dargestellt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist an einer entsprechenden Halterung des Rotationskörpers 10, der um die Rotationsachse 22 drehbar ist, ein zweiter Rotationskörper 60 angebracht, der um eine zweite Rotationsachse 62 drehbar ist, wie durch einen Pfeil 64 angedeutet ist. Die Rotationsachse 62 kann beispielsweise senkrecht zu der Rotationsachse 22 sein. An dem zweiten Rotationskörper 60 sind ein oder mehrere Fluidikmodule 66 angebracht. Die Fluidikmodule 66 können bezüglich des Rotationskörpers 60 horizontal angeordnet sein und bezüglich der durch die Rotationsachse 22 definierte Rotationsebene geneigt sein. Bei Ausführungsbeispielen können somit weitere Rotationsachsen zur Präzisierung herangezogen werden. Eine der Rotationsachsen, die Rotationsachse 22, stellt die Hauptrotationsachse dar, während die andere Rotationsachse, die Rotationsachse 62, um die Hauptrotationsachse rotiert, wobei die Fluidikmodule 66 wiederum um die zweite Rotationsachse 62 rotieren. Die Rotations- achsen sind dabei windschief zueinander. Beide Rotationsachsen können innerhalb aber auch außerhalb der Fluidikmodule liegen. Es bedarf keiner expliziten Erläuterung, dass der Rotationskörper 10 entsprechend ausgebildet ist, um eine entsprechende Rotation des zweiten Rotationskörpers 66 zu ermöglichen, beispielsweise durch eine entsprechende Ausnehmung in dem Rotationskörper 10. In embodiments, the axis of rotation is arranged vertically. In embodiments, processing takes place while the fluidic module (which may also be referred to as a microfluidic cartridge is vertically aligned). In other words, one of the two spatial directions defining the fluidic plane is vertically aligned. The rotation axis can be inside or outside the fluidic module. In the fluidic structures shown in Fig. 3, for example, fluids from the two radially inner chambers 30a can be centrifugally moved through the channels 32a radially outward into the large central chamber 30b. There, the two fluids can be mixed and then be divided by the continuing channel 32b radially outward into the terminal chambers 30c. There, a detection reaction can take place and be read out. A readout can be done, for example, optically, for example by a fluorescence measurement. In order to enable such a reading, at least parts of the rotating body and of the fluidic module can be transparent. Further, mirrors and / or light guides may be disposed in the rotary body to redirect light from a light source to the respective chamber in which a detection reaction occurs and to redirect light from the chamber to a detector. In embodiments of the invention, when the fluidic module is inserted into the fixture or attached to the fixture, the fluidic plane is inclined at an angle in a range of 20 degrees to 70 degrees with respect to the plane of rotation. In embodiments, the fluidic plane is inclined at an angle in a range of 30 degrees to 60 degrees with respect to the plane of rotation. For example, FIG. 5 shows an arrangement of the fluidic module in which the fluidic module 14 is inclined with respect to the plane of rotation 24 by an angle α which is, for example, 45 degrees. As further shown in FIG. 5, the fluidic module or the fluidic plane is inclined at an angle of β with respect to the axis of rotation 22, where α + β = 90 °. It does not require a separate explanation that the respective holder or the respective holders of the rotary body are adapted to hold the fluidic module or the fluidic modules in a corresponding orientation with respect to the plane of rotation. By an inclined arrangement in which the fluidic module is inclined at an angle other than 90 degrees relative to the plane of rotation, for example at an angle of 30 ° to 60 °, on the one hand a high degree of parallelization can be obtained, while on the other hand the fluidic modules without complex Optics can be read directly by a direct light incidence to the fluid chambers in which the reading is to take place, is possible and is not blocked by adjacent fluidic modules. In embodiments, the axis of rotation may be a first axis of rotation, wherein the holder is configured to rotatably support the fluidic module about a second axis of rotation skewed to the first axis of rotation. An example of such an arrangement is shown purely schematically in FIG. As shown in FIG. 6, attached to a corresponding support of the rotary body 10, which is rotatable about the rotation axis 22, a second rotary body 60 is mounted, which is rotatable about a second axis of rotation 62, as indicated by an arrow 64. The rotation axis 62 may, for example, be perpendicular to the rotation axis 22. On the second rotary body 60, one or more fluidic modules 66 are mounted. The fluidic modules 66 may be arranged horizontally with respect to the rotation body 60 and inclined with respect to the rotation plane defined by the rotation axis 22. In embodiments, further rotation axes can thus be used for precision. One of the axes of rotation, the axis of rotation 22, represents the main axis of rotation, while the other axis of rotation, the axis of rotation 62, rotates about the main axis of rotation, wherein the fluidic modules 66 in turn rotate about the second axis of rotation 62. The rotation axes are skewed. Both axes of rotation may be within but also outside the fluidic modules. There is no need for explicit explanation that the rotation body 10 is designed accordingly to a corresponding rotation of the second rotating body 66, for example, by a corresponding recess in the rotating body 10th
Fig. 7 zeigt schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten mit einem Rotationskörper 10, in den Fluidikmodule 14 eingesetzt sind. Eine Antriebseinrichtung 70 für den Rotationskörper 10 kann ein rotierendes Teil 72, an dem der Rotationskörper 10 angebracht ist, aufweisen. Beispielsweise kann der Rotationskörper 10 mittels eines Klettverschlusses an dem rotierenden Teil 72 angebracht sein. Alternativ kann der Rotationskörper 10 eine mittige Öffnung aufweisen, über die der Rotationskörper 10 mittels einer üblichen Befestigungseinrichtung an dem rotierenden Teil 72 der Antriebseinrichtung 70 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 72 ist drehbar an einem stationären Teil 74 der Antriebseinrichtung 70 gelagert. Bei der Antriebseinrichtung 70 kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit handeln. Eine Steuerung 76 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvor- richtung 70 zu steuern, um den Rotationskörper und damit die Fluidikmodule mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, zu beaufschlagen, um die Handhabung der Flüssigkeiten in den Fluidikmodulen zu erreichen, beispielsweise die Flüssigkeiten zu bewegen und/oder zu prozessieren. Die Steuerung 76 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Re- cheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. FIG. 7 shows schematically an example of a device for handling liquids with a rotary body 10 into which fluidic modules 14 are inserted. A drive device 70 for the rotary body 10 may have a rotating part 72, on which the rotary body 10 is mounted. For example, the rotary body 10 may be attached to the rotating part 72 by means of a hook-and-loop fastener. Alternatively, the rotary body 10 can have a central opening, via which the rotary body 10 can be attached to the rotating part 72 of the drive device 70 by means of a conventional fastening device. The rotating part 72 is rotatably supported on a stationary part 74 of the drive device 70. The drive device 70 can be, for example, a conventional centrifuge with an adjustable rotational speed. A controller 76 may be provided, which is configured to control the drive device 70 in order to apply a predefined sequence of rotational frequencies, the frequency protocol, to the rotational body and thus the fluidic modules in order to achieve the handling of the fluids in the fluidic modules For example, to move and / or process the liquids. As will be appreciated by those skilled in the art, the controller 76 may be implemented by, for example, a suitably programmed computing device or custom integrated circuit.
Bezug nehmend auf die Fig. 8a und 8b wird eine einfache Möglichkeit beschrieben, wie ein Probentransfer in ein Fluidikmodul stattfinden kann. Beispielsweise kann das Fluidikmodul 14 eine Öffnung 80 aufweisen, die in einer Rückseite des Fluidikmoduls 14 vorge- sehen sein kann. Durch diese Öffnung kann mittels einer Ladevorrichtung 82, beispielsweise einer Pipettenspitze, eine Probe in die Fluidikstrukturen des Fluidikmoduls eingebracht werden. Um das Fluidikmodul nach dem Probentransfer zu verschließen, muss auch die Öffnung 80 geschlossen werden. Dies kann, wie in den Fig. 8a und 8b gezeigt ist, beispielsweise durch einen Streifen 84 selbstklebender Folie geschehen. Alternativ kann die Öffnung 80 auch mit einem Pfropfen oder komplexeren Verschlusssystemen, wie beispielsweise einem angespritzten Deckel mit Filmscharnier, verschlossen werden. Das entsprechend verschlossene Fluidikmodul kann dann in den Rotationskörper eingesetzt werden und in der entsprechenden Ausrichtung bezüglich der Rotationsebene, wie sie hierin beschrieben ist, prozessiert werden. Im Folgenden werden Bezug nehmend auf die Fig. 9 bis 12 beispielhafte Fluidikstruktu- ren, die in dem Fluidikmodul vorgesehen sein können, beschrieben. Die Bezug nehmend auf die Fig. 9 bis 12 beschriebenen Fluidikstrukturen können zur Durchführung von Einheitsoperationen in einem entsprechenden Fluidikmodul dienen. Es ist jedoch offensicht- lieh, dass neben den beschriebenen Fluidikstrukturen weitere Fluidikstrukturen in den jeweiligen Fluidikmodulen gebildet sein können, um gewünschte Fluidikoperationen zu implementieren. Referring to Figures 8a and 8b, a simple way of how sample transfer into a fluidic module can take place is described. For example, the fluidic module 14 may have an opening 80, which may be provided in a rear side of the fluidic module 14. Through this opening, a sample can be introduced into the fluidic structures of the fluidic module by means of a charging device 82, for example a pipette tip. In order to close the fluidic module after the sample transfer, the opening 80 must also be closed. This can, as shown in FIGS. 8a and 8b, for example, be done by a strip 84 of self-adhesive film. Alternatively, the opening 80 can also be closed with a plug or more complex closure systems, such as a molded lid with a film hinge. The appropriately sealed fluidic module may then be inserted into the rotary body and processed in the appropriate orientation with respect to the plane of rotation as described herein. In the following, exemplary fluidic structures, which may be provided in the fluidic module, are described with reference to FIGS. 9 to 12. The fluidic structures described with reference to FIGS. 9 to 12 may be used to carry out unit operations in a corresponding fluidic module. However, it is obvious that in addition to the described fluidic structures further fluidic structures may be formed in the respective fluidic modules to implement desired fluidic operations.
Fig. 9 zeigt Fluidikstrukturen in Form eines Überlaufsiphons. Der Überlaufsiphon verfügt über einen radial innen liegenden fluidischen Einlass 90, eine Fluidkammer 92 und einen radial außen liegenden fluidischen Auslass 94. Der fluidische Einlass 90 ist über einen Fluidkanal 96 mit der Fluidkammer 92 verbunden. Der fluidische Auslass 94 ist über einen Auslasskanal 98 mit der Fluidkammer 92 verbunden. Der Auslasskanal 98 mündet in einem bezüglich des Erdgravitationsfelds oberen und radial außen liegenden Bereich der Fluidkammer 92 in die Fluidkammer 92. Der Auslasskanal weist einen bezüglich des Erdgravitationsfelds ansteigenden Abschnitt 98a, einen radial ansteigenden Abschnitt 98b und einen radial abfallenden Abschnitt 98c auf. Die Abschnitte 98b und 98c sind wiederum über einen im Gravitationsfeld ansteigenden Kanalabschnitt miteinander verbunden. Der radial außen liegende fluidische Auslass 94 liegt radial weiter außen als die radiale Position des Auslasses der Fluidkammer 92, d. h. die Position, an der der Auslasskanal 98 in die Fluidkammer 92 mündet. Im Betrieb kann die Fluidkammer 92 unter Rotation über den Einlass 90 und den Kanal 96 befüllt werden, wobei ab einem bestimmten Füllvolumen, wenn der Siphon überschritten wird, die Kammer 92 über den Auslasskanal 98 wieder entleert werden kann. Zusätzlich kann bei Ausführungsbeispielen bei einer vertika- len Anordnung die Fluidkammer 92 befüllt werden, ohne dass sie sich entleert. Bei keiner oder geringer Rotation hält die Gravitation die Flüssigkeit in der Kammer ohne Kontakt zum Auslass. Erst bei höheren Rotationsfrequenzen wird die Flüssigkeit nach radial außen bewegt, in Fig. 9 nach rechts, befüllt den Auslasskanal 98 und kann dann durch den Auslass 94 in nachgeschaltete fluidische Strukturen überführt werden. Durch eine solche vertikale Umsetzung eines Überlaufsiphons kann die Gefahr eines vorzeitigen Durchbruchs durch kapillares Primen des Auslasskanals deutlich gesenkt werden. Fig. 9 shows fluidic structures in the form of an overflow siphon. The overflow siphon has a radially inner fluid inlet 90, a fluid chamber 92 and a radially outer fluidic outlet 94. The fluidic inlet 90 is connected to the fluid chamber 92 via a fluid channel 96. The fluidic outlet 94 is connected to the fluid chamber 92 via an outlet channel 98. The outlet channel 98 opens into the fluid chamber 92 in an upper and radially outer region of the fluid chamber 92 with respect to the gravitational field. The outlet channel has an earth gravity field rising portion 98a, a radially rising portion 98b, and a radially decreasing portion 98c. The sections 98b and 98c are in turn connected to one another via a channel section rising in the gravitational field. The radially outer fluidic outlet 94 is located radially further outward than the radial position of the outlet of the fluid chamber 92, d. H. the position at which the outlet channel 98 opens into the fluid chamber 92. In operation, the fluid chamber 92 can be filled with rotation via the inlet 90 and the channel 96, wherein from a certain filling volume, when the siphon is exceeded, the chamber 92 can be emptied through the outlet channel 98 again. In addition, in embodiments in a vertical arrangement, the fluid chamber 92 can be filled without it emptying. With no or little rotation, gravity keeps the liquid in the chamber out of contact with the outlet. Only at higher rotational frequencies, the liquid is moved radially outward, in Fig. 9 to the right, filled the outlet channel 98 and can then be transferred through the outlet 94 in downstream fluidic structures. By such a vertical implementation of an overflow siphon, the risk of premature breakthrough by capillary priming of the outlet channel can be significantly reduced.
Um eine Probe in das Fluidikmodul 14 zu überführen, kann eine Struktur, wie sie oben Bezug nehmend auf die Fig. 8a und 8b beschrieben wurde, verwendet werden. Alternativ kann die Probe von einer Seite des Fluidikmoduls 14 eingebracht werden, beispielsweise durch Fluidikstrukturen, wie sie in Fig. 10 gezeigt sind. Hier kann eine Probe seitlich bzw. von oben durch einen Einlass 100 in das Fluidikmodul 14 eingebracht werden, von wo sie unter Rotation zentrifugal in einen Auslasskanal 102 der Ladefluidikstrukturen bewegt werden kann. Der Auslasskanal 102 der Ladefluidikstrukturen kann wiederum mit nachgeschalteten fluidischen Strukturen verbunden sein. Das Beladen der Ladefluidikstruktu- ren mit einer Probe kann bei Stillstand oder unter Rotation durchgeführt werden, und beispielsweise durch Einlegen, Eintropfen oder Einpipettieren geschehen. Beispielsweise kann eine Probe lediglich an den Rand der Ladefluidikstrukturen pipettiert werden. Durch Rotieren des Fluidikmoduls wird die Probe zunächst in die Kammer 104 und dann durch dieselbe und den Auslasskanal 102 in nachfolgende Strukturen geschleudert. Die Probe kann aber auch durch Einführen der Pipette in die Kammer 104 direkt in diese pipettiert werden, um dann unter Rotation aus der Kammer in nachfolgende Strukturen bewegt zu werden. In order to transfer a sample into the fluidic module 14, a structure as described above with reference to Figs. 8a and 8b may be used. Alternatively, the sample may be introduced from one side of the fluidic module 14, for example, by fluidic structures as shown in FIG. 10. Here is a sample on the side or be introduced from above through an inlet 100 in the fluidic module 14, from which it can be centrifugally moved into an outlet passage 102 of the Ladefluidikstrukturen under rotation. The outlet channel 102 of the loading fluidic structures can in turn be connected to downstream fluidic structures. The loading of the loading fluid structures with a sample can be carried out at standstill or under rotation, for example by inserting, dropping or pipetting. For example, a sample can only be pipetted to the edge of the charging fluidic structures. By rotating the fluidic module, the sample is first thrown into the chamber 104 and then through the same and the outlet channel 102 into subsequent structures. However, the sample may also be pipetted directly into the chamber 104 by inserting the pipette, and then being rotated out of the chamber into subsequent structures.
Bei Ausführungsbeispielen weisen die Fluidikstrukturen solche auf, die einen Coriolis- Schalter implementieren. Solche Fluidikstrukturen können einen radial abfallenden Kanal aufweisen, der sich in einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal verzweigt, wobei der erste Kanal hinsichtlich einer Mitte des radial abfallenden Kanals in der dritten Raumrichtung auf einer ersten Seite in den radial abfallenden Kanal mündet und der zweite Kanal hinsichtlich der Mitte des radial abfallenden Kanals in der dritten Raumrichtung auf einer zweiten Seite in den radial abfallenden Kanal mündet. Ein Beispiel für solche Fluidikstrukturen ist in Fig. 11 gezeigt. Im linken Teil von Fig. 11 ist dabei die Rotationsachse 22 gezeigt, in der Mitte eine schematische Seitenansicht der Fluidikstrukturen und im rechten Teil eine schematische Schnittansicht in radialer Richtung. Die Fluidikstrukturen weisen einen radial abfallenden Kanal 110 auf, der sich in einen ersten Kanal 112 und einen zweiten Kanal 114 verzweigt. Eine Mitte des radial abfallenden Kanals 110 in der dritten Raumrichtung ist in Fig. 11 durch eine Linie 116 angedeutet. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, teilt sich der radial abfallende Mutterkanal 110 an einer Bifurkation 118 in die zwei Tochterkanäle 112 und 114. Dabei wird ausgehend von dem Mutterkana! 110 ein Tochterkanal 112 links, der andere Tochterkanal 114 rechts weitergeführt. Mittels der Corioliskraft kann nun in Abhängigkeit der Drehrichtung die Mehrheit der Flüssigkeit in den linken Tochterkanal 112 oder den rechten Tochterkanal 114 gelenkt werden. Um die Tochterkanäle zu trennen, kann, wie in Fig. 11 gezeigt ist, der eine Tochterkanal nach oben und der andere Tochterkanal nach unten geführt werden. Somit können Fluidikstrukturen ausgebildet sein, um einen Coriolis-Schalter zu implementieren, bei dem die Corioliskraft genutzt wird, um die Flüssigkeit in einen bestimmten Kanal zu schalten. Schließlich zeigt Fig. 12 eine Schnittansicht von der Rotationsachse auf das Fluidikmodul, d. h. in radialer Richtung. Die Fluidikstrukturen können eine erste Fluidkammer 120 und eine zweite Struktur 122 in Form einer zweiten Fluidkammer oder eines Auslasskanals 122 aufweisen. Die erste Fluidkammer 120 kann eine verschlossene Kammer sein, in der eine Flüssigkeit versiegelt vorgelagert ist. Die Versiegelung kann gezielt durchbrochen werden, so dass Flüssigkeit freigesetzt wird und in die zweite Struktur 122 überführt wird. Dies kann beispielsweise durch einen eindrückbaren Dorn 124 realisiert werden, wie dies in Fig. 12 angedeutet ist. Die Betätigung dieses Doms kann manuell oder automatisiert vor oder während der Prozessierung der Flüssigkeit geschehen. Durch das öffnen der Kammer 120 und das Freisetzen der zuvor eingeschlossenen Flüssigkeit kann diese durch die Öffnung in die nachfolgende mikrofluidische Struktur 122 überführt werden. In embodiments, the fluidic structures include those that implement a Coriolis switch. Such fluidic structures may have a radially sloping channel that branches into a first channel and a second channel, wherein the first channel opens with respect to a center of the radially sloping channel in the third spatial direction on a first side in the radially sloping channel and the second channel opens with respect to the center of the radially sloping channel in the third spatial direction on a second side in the radially sloping channel. An example of such fluidic structures is shown in FIG. In the left part of FIG. 11, the rotation axis 22 is shown, in the middle a schematic side view of the fluidic structures and in the right part a schematic sectional view in the radial direction. The fluidic structures have a radially sloping channel 110 which branches into a first channel 112 and a second channel 114. A center of the radially sloping channel 110 in the third spatial direction is indicated in FIG. 11 by a line 116. As shown in Fig. 11, the radially sloping mother channel 110 divides at a bifurcation 118 in the two daughter channels 112 and 114. Here, starting from the Mutterkana! 110 a daughter channel 112 left, the other daughter channel 114 continued right. By means of the Coriolis force, depending on the direction of rotation, the majority of the liquid can now be directed into the left daughter canal 112 or the right daughter canal 114. In order to disconnect the daughter channels, as shown in Fig. 11, one daughter channel may be led up and the other daughter channel down. Thus, fluidic structures may be configured to implement a Coriolis switch in which the Coriolis force is utilized to switch the liquid into a particular channel. Finally, FIG. 12 shows a sectional view from the axis of rotation onto the fluidic module, ie in the radial direction. The fluidic structures may include a first fluid chamber 120 and a second structure 122 in the form of a second fluid chamber or outlet channel 122. The first fluid chamber 120 may be a sealed chamber in which a liquid is sealed upstream. The seal can be selectively broken so that liquid is released and transferred to the second structure 122. This can be realized for example by a depressible mandrel 124, as indicated in Fig. 12. The operation of this dome can be done manually or automatically before or during the processing of the liquid. By opening the chamber 120 and releasing the previously enclosed liquid, it can be transferred through the opening into the subsequent microfluidic structure 122.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine mikrofluidische Kartusche, wobei die Kartusche mit mikrofluidischen Strukturen versehen ist, und die Flu- idikebene gegenüber der Rotationsebene gedreht ist, so dass mehr Fluidikfläche zur Verfügung steht als Fläche in der Rotationsebene beansprucht wird. Unter Fluidikebene kann dabei die Lage der Mehrheit der Mikrokanäle verstanden werden. Mit anderen Worten schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine mikrofluidische Kartusche bzw. ein mik- rofluidisches Fluidikmodul, die bzw. das mit mikrofluidischen Strukturen versehen ist, wo- bei die Fläche der Projektion der Kartusche auf die Fluidikebene größer ist als die Fläche der Projektion auf die zur Rotationsachse senkrecht stehende Rotationsebene. Bei Ausführungsbeispielen nimmt die Kartusche nur bis zu einem Prozentsatz des Umfangs der Rotationsebene ein. Bei Ausführungsbeispielen ist die Fluidikebene um mindestens 30 Grad gegenüber der Rotationsebene geneigt. Ausführungsbeispiele können zur Prozes- sierung von Proben dienen, sowohl präparativ als auch analytisch. Bei Ausführungsbeispielen können die Fluidikstrukturen eine Mehrzahl von Kanälen aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind. Embodiments of the present invention thus provide a microfluidic cartridge wherein the cartridge is provided with microfluidic structures and the fluidic plane is rotated with respect to the plane of rotation so that more fluidic area is available than area in the plane of rotation is claimed. Under Fluidikebene can be understood the location of the majority of micro-channels. In other words, embodiments of the invention provide a microfluidic cartridge or a microfluidic fluidic module, which is provided with microfluidic structures, wherein the area of the projection of the cartridge on the fluidic plane is greater than the area of the projection on the Rotation axis vertical plane of rotation. In embodiments, the cartridge occupies only up to a percentage of the circumference of the plane of rotation. In embodiments, the fluidic plane is inclined at least 30 degrees with respect to the plane of rotation. Exemplary embodiments can be used for the processing of samples, both preparatively and analytically. In embodiments, the fluidic structures may include a plurality of channels that are parallel to one another.
Bei Ausführungsbeispielen sind die Fluidikstrukturen für eine vertikale Anordnung des Fluidikmoduls angepasst, gegenüber einer horizontalen Anordnung, wie sie bei bekannten Systemen verwendet wird. Während bei einer horizontalen Prozessierung radiale Kanäle verwendet werden, können bei einer vertikalen Prozessierung insbesondere parallele Kanäle verwendet werden. Bei einer horizontalen Prozessierung sind isoradiale Kanäle gekrümmt, während bei einer vertikalen Prozessierung die Kanäle gerade sein können. Bei einer horizontalen Prozessierung ist die Gravitation typischerweise vernachlässigbar, während bei der vertikalen Prozessierung die Gravitation in großen Kammern genutzt werden kann. Diesbezüglich ist die Gravitation auch bei der horizontalen Prozessierung vorhanden, hat jedoch aufgrund der geringen Dicke der horizontal angeordneten Fluidik- module keinen erheblichen Einfluss auf die Prozessierung. Der Einfluss der Gravitation nimmt zu, je tiefer die Kammern werden. Somit kann die Gravitation bei der vertikalen Anordnung des Fluidikmoduls in der Fluidikebene genutzt werden, was die Nutzung der Gravitation auch bei sehr dünnen Fluidikmoduien ermöglicht. In embodiments, the fluidic structures are adapted for vertical placement of the fluidic module, as opposed to a horizontal arrangement as used in known systems. While radial channels are used in a horizontal processing, in particular parallel channels can be used in a vertical processing. In horizontal processing, isoradial channels are curved, while in vertical processing the channels can be straight. With horizontal processing, gravitation is typically negligible, while vertical processing uses gravity in large chambers can be. In this regard, gravity is also present in horizontal processing, but due to the small thickness of the horizontally arranged fluidic modules, has no significant influence on the processing. The influence of gravity increases the deeper the chambers become. Thus, the gravity can be used in the vertical arrangement of the fluidic module in the fluidic plane, which allows the use of gravity even with very thin Fluidikmoduien.
Die Anordnung der Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben ist, weist gegenüber herkömmlichen, horizontalen Systemen zahlreiche Vorteile auf. Bei einer horizontalen Pro- zessierung stößt die Integration vieler Einheitsoperationen oft an ihre Grenzen, wenn vor allem radial innen liegende Strukturen implementiert werden sollen bzw. müssen. Hier steht plattformbedingt nur wenig Platz zur Verfügung. Radial außen ist zwar ausreichend Platz vorhanden, doch müssen die Flüssigkeiten mit zusätzlichem Platzaufwand und oft unter fluidischen Verlusten wieder nach radial innen gepumpt werden. Durch die Anord- nung der Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben ist, kann dieses grundsätzliche Problem der zentrifugalen Fluidik gelöst werden. Durch das Drehen der Fluidikebene steht radial innen mehr Platz für fluidische Strukturen zur Verfügung. Somit kann das Problem des radial inneren Platzmangels gelöst werden. Bei horizontalen Systemen mussten in der Regel Reagenzien aus Platzgründen radial außen vorgelagert und zur Verwendung nach radial innen gepumpt werden. Die hierin beschriebene Vorgehensweise ermöglicht, dass Reagenzien auch radial innen vorgelagert werden, von wo aus sie direkt für Analysen verwendet werden können. Zusätzlich schafft der Wegfall der Pumpstrukturen weiteren Platz auf dem Fluidikmodul bzw. das Fluidikmodul kann kompakter ausgelegt werden. Ein weiteres Problem bei horizontalen Systemen ist die Prozessierung vieler paralleler Reaktionen. Insbesondere ist es bei horizontalen Systemen schwierig, viele Fluidikmodule auf einem Rotationskörper anzuordnen, um beispielsweise viele Proben parallel auf ein oder einige Targets zu untersuchen, im Gegensatz dazu ermöglichen die Anordnungen der Fluidikmodule, wie sie hierin beschrieben sind, eine hohe Integrationsdichte, was be- deutet, dass viele Fluidikmodule parallel prozessiert werden können. The arrangement of the fluidic modules as described herein has numerous advantages over conventional horizontal systems. In the case of a horizontal process, the integration of many unit operations often reaches its limits, especially if radially internal structures are to be or must be implemented. There is only limited space available due to the platform. Although there is sufficient space on the radial outside, the liquids have to be pumped radially inward again with additional space and often under fluidic losses. By arranging the fluidic modules as described herein, this fundamental problem of centrifugal fluidics can be solved. By turning the Fluidikebene is radially inside more space for fluidic structures available. Thus, the problem of the radially inner space shortage can be solved. For horizontal systems, reagents usually had to be stored radially outward for space reasons and pumped radially inward for use. The procedure described herein also allows reagents to be radially in-advance from where they can be used directly for analysis. In addition, the elimination of the pump structures creates more space on the fluidic module or the fluidic module can be made more compact. Another problem with horizontal systems is the processing of many parallel reactions. In particular, in horizontal systems, it is difficult to arrange many fluidic modules on a rotating body, for example, to inspect many samples in parallel on one or a few targets, in contrast, the arrangements of the fluidic modules as described herein allow a high integration density, which indicates that many fluidic modules can be processed in parallel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit, durch die Drehung der Fluidikebene aus der Rotationsebene beide genannten Schwächen horizontaler Systeme zu beheben. Die Drehung um den Radius des Rotationskörpers erhöht die Integrationsdichte, so dass eine größere Anzahl von Fluidikmoduien parallel prozessiert werden kann. Wei- terhin steht durch die Drehung radial innen mehr Platz für fluidische Einheitsoperationen zur Verfügung. Embodiments of the invention thus make it possible to eliminate both said weaknesses of horizontal systems by the rotation of the fluidic plane out of the plane of rotation. The rotation about the radius of the rotation body increases the integration density, so that a larger number of fluidic modules can be processed in parallel. WEI terhin by the rotation radially inside more space for fluidic unit operations available.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen diese Vorteile ohne komplexe Struktu- ren, wie beispielsweise Ausschwingrotoren. Durch das Drehen der Fluidikebene in Ausschwingrotoren wird der Zentrifugaldruck in den Strukturen verringert bis aufgehoben, wodurch der Antrieb der Flüssigkeiten vermindert bis entfernt wird. Komplexere Analysen lassen sich in einem solchen System nicht integrieren. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Fluidikmodule fest in die Halterung eingebracht bzw. an der Halterung angebracht, so dass solche Probleme nicht auftreten. Ferner benötigt eine Ausschwing- halterung viel Platz, was eine hohe Integrationsdichte verhindert. Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele kommen ohne eine komplexe interne Mechanik aus, wie sie beispielsweise bei Systemen verwendet wird, bei denen Röhrchen parallel in einem Ausschwingrotor platziert und prozessiert werden. Embodiments of the invention enable these advantages without complex structures, such as swing-out rotors. Turning the fluidic plane in swing-bucket rotors reduces or eliminates the centrifugal pressure in the structures, thereby reducing or eliminating fluid drive. More complex analyzes can not be integrated in such a system. In embodiments of the invention, the fluidic modules are firmly inserted into the holder or attached to the holder, so that such problems do not occur. Furthermore, a swing-out mount requires a lot of space, which prevents a high integration density. Embodiments described herein do not require a complex internal mechanism, such as is used in systems where tubes are placed and processed in parallel in a swing-bucket rotor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum kontrollierten Prozessieren von Flüssigkeiten, die eine hohe Integrationsdichte ermöglichen, was bedeutet, dass viele Fluidikmodule parallel prozessierbar sind, wobei radial innen mehr Platz zur Verfügung steht als dies bei bekannten Systemen der Fall ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, wobei die Fluidikebene gegenüber der Rotationsebene gedreht ist und die Rotationsachse innerhalb des Fluidikmoduls oder außerhalb des Fluidikmoduls liegen kann. Das Drehen der Fluidikebene gegenüber der Rotationsebene eröffnet zahlreiche Vorteile, beispielsweise eine Prozessierung senkrecht oder geneigt zur Rotations- ebene, ein Überlappen einzelner Fluidikmodule vor allem radial innen, wodurch ein dichteres Packen ermöglicht wird. Auf diese Weise kann ein hoher Parallelisierungsgrad erreicht werden. Radial innen steht mehr Platz für fluidische Strukturen oder für die Vorlagerung von Reagenzien zur Verfügung. Ferner kann bei Ausführungsbeispielen insbesondere in großen Fluidkammern die Gravitation zur Aktuierung genutzt werden, beispielsweise zum Transport, zum Mischen oder zum Bewegen von Flüssigkeiten. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Fluidikmodul eine Größe aufweisen, die im Wesentlichen der einer Kreditkarte entspricht, ca. 75 x 40 x 4 mm2. Derartige Fluidikmodule (Kartuschen) können in einem entsprechenden Halter parallel in einer Zentrifuge oder einem spezialisierten Prozessierungsgerät verwendet werden. In den Halter integrierte Heizelemente können eine lokale Temperierung einzelner Strukturen in dem Fluidikmodul ermöglichen. Weiterhin kann eine optische Detektion (beispielsweise Fluoreszenzdetektion) über im Rotationskörper vorgesehene Spiegel oder Lichtleiter realisiert werden. Embodiments of the invention thus provide fluidic modules, devices, and methods for the controlled processing of liquids that enable high integration density, meaning that many fluidic modules are parallel processable, with more space available radially inward than is the case with known systems. Embodiments of the invention provide a fluidic module which is rotatable about a center of rotation, wherein the fluidic plane is rotated relative to the plane of rotation and the axis of rotation may be within the fluidic module or outside the fluidic module. The rotation of the fluidic plane with respect to the plane of rotation opens up numerous advantages, for example a processing perpendicular or inclined to the plane of rotation, overlapping of individual fluidic modules, especially radially inward, whereby a denser packing is made possible. In this way, a high degree of parallelization can be achieved. Radially inside there is more space available for fluidic structures or for the pre-storage of reagents. Furthermore, in embodiments, in particular in large fluid chambers, the gravitation can be used for actuation, for example for transport, for mixing or for moving liquids. In embodiments of the invention, the fluidic module may have a size substantially similar to that of a credit card, approximately 75 x 40 x 4 mm 2 . Such fluidic modules (cartridges) may be used in a corresponding holder in parallel in a centrifuge or specialized processing apparatus. In the holder integrated heating elements can allow a local temperature of individual structures in the fluidic module. Furthermore, an optical detection (for example fluorescence detection) can be realized by means of mirrors or light guides provided in the rotation body.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können insbesondere dort Anwendung finden, wo mehrere Prozesse parallel ausgeführt werden sollen. Beispielsweise können bei Ausführungsbeispielen die Vorrichtung und das Verfahren ausgelegt sein, um eine digitale Ampli- fikation durchzuführen. Bei einer digitalen Amplifikation wird eine Vielzahl von Tröpfchen erzeugt, indem diese an einer Mündung eines Kanal in eine Fluidkammer abreißen. In den Tröpfchen kann dann eine Bioreaktion zum Nachweis von DNA stattfinden. Embodiments of the invention may find particular application where several processes are to be executed in parallel. For example, in embodiments, the apparatus and method may be configured to perform digital amplification. In a digital amplification, a plurality of droplets are generated by tearing off at a mouth of a channel in a fluid chamber. A bioreaction to detect DNA can then take place in the droplets.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zu ver- stehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Although some aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method such that a block or device of a device may also be understood as a corresponding method step or feature of a method step is. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin prä- sentiert wurden, beschränkt sei. The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to those skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft, mit folgenden Merkmalen: einem Rotationskörper (10) mit einer Halterung (12) für ein Fluidikmodul (14, 66), wobei der Rotationskörper (10) eine Rotationsachse (22) aufweist, um die der Rotationskörper (10) drehbar ist und die eine Rotationsebene (24) definiert, auf der die Rotationsachse (22) senkrecht steht; einem Fluidikmodul (14, 66), das in die Halterung (12) einbringbar oder an der Halterung (12) anbringbar ist, in dem Fluidikstrukturen (16) gebildet sind, wobei eine Erstreckung der Fluidikstrukturen (16) in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen (x, y) größer ist als eine Erstreckung der Fluidikstrukturen (16) in einer dritten Raumrichtung (z), die senkrecht zu der ersten und der zweiten Raumrichtung (x, y) ist, wobei die erste und die zweite Raumrichtung (x, y) eine Fluidikebene definieren, wobei, wenn das Fluidikmodul (14, 66) in die Halterung (12) eingebracht oder an der Halterung (12) angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel bezüglich der1. A device for handling liquids by utilizing the centrifugal force, comprising: a rotary body (10) with a holder (12) for a fluidic module (14, 66), wherein the rotary body (10) has a rotation axis (22) to the rotation body (10) is rotatable and defines a plane of rotation (24) on which the axis of rotation (22) is perpendicular; a fluidic module (14, 66) which can be introduced into the holder (12) or attached to the holder (12) in which fluidic structures (16) are formed, an extension of the fluidic structures (16) in two mutually perpendicular spatial directions (x , y) is greater than an extension of the fluidic structures (16) in a third spatial direction (z), which is perpendicular to the first and the second spatial direction (x, y), wherein the first and the second spatial direction (x, y) a Define Fluidikebene, wherein, when the fluidic module (14, 66) is inserted into the holder (12) or attached to the holder (12), the Fluidikebene by an angle with respect to the
Rotationsebene (24) geneigt ist, und entweder a) eine der zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen (x, y) bezüglich der Rotationsachse (22) radial verläuft oder b) eine durch die Rotationsachse (22) verlaufende Gerade (g) in der Rotationsebene (24), die senkrecht zu einer der zwei zueinander senkrechten Raumrich- tungen (x, y) ist, das Fluidikmodul (14, 66) nicht schneidet. A) one of the two mutually perpendicular spatial directions (x, y) with respect to the axis of rotation (22) extends radially or b) a through the rotation axis (22) extending straight line (g) in the plane of rotation (24 ), which is perpendicular to one of the two mutually perpendicular spatial directions (x, y), does not intersect the fluidic module (14, 66).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der, wenn das Fluidikmodul (14, 66) in die Halterung (12) eingebracht oder an der Halterung (12) angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel von 90° bezüglich der Rotationsebene (24) geneigt ist. 2. Device according to claim 1, wherein, when the fluidic module (14, 66) in the holder (12) introduced or attached to the holder (12), the Fluidikebene inclined by an angle of 90 ° with respect to the plane of rotation (24) is.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der, wenn das Fluidikmodul (14, 66) in die Halterung (12) eingebracht oder an der Halterung (12) angebracht ist, eine der zwei Hauptrichtungen (y), die die Fluidikebene definieren, vertikal ist. 3. Device according to claim 1 or 2, wherein, when the fluidic module (14, 66) is introduced into the holder (12) or attached to the holder (12), one of the two main directions (y) defining the fluidic plane, is vertical.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der, wenn das Fluidikmodul (14, 66) in die Halterung (12) eingebracht oder an der Halterung (12) angebracht ist, die Fluidikebene um einen Winkel von 20° bis 70° bezüglich der Rotationsebene (24) geneigt ist. 4. Device according to claim 1, wherein, when the fluidic module (14, 66) is introduced into the holder (12) or attached to the holder (12), the fluidic plane is inclined at an angle of 20 ° to 70 ° with respect to the plane of rotation ( 24) is inclined.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Fluidikmodul (14, 66) die Form einer Platte aufweist, wobei die Länge und die Breite der Platte größer sind als die Dicke der Platte, und wobei die beiden Hauptoberflächen der Platte parallel zu der Fluidikebene sind. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluidic module (14, 66) is in the form of a plate, the length and width of the plate being greater than the thickness of the plate, and the two major surfaces of the plate being parallel to the plate Fluidikebene are.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Rotationsachse (22) eine erste Rotationsachse (22) ist, und bei der die Halterung (12) ausgebildet ist, um das Fluidikmodul (66) drehbar um eine zweite Rotationsachse (62), die windschief zu der ersten Rotationsachse (22) ist, zu lagern. Apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the axis of rotation (22) is a first axis of rotation (22), and wherein the support (12) is adapted to rotate the fluidic module (66) about a second axis of rotation (62). the skewed to the first axis of rotation (22) is to store.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die zweite Rotationsachse (62) senkrecht zu der ersten Rotationsachse (22) ist. Apparatus according to claim 6, wherein the second axis of rotation (62) is perpendicular to the first axis of rotation (22).
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der das Fluidikmodul (66) an einem weiteren Rotationskörpers (60) angebracht ist, auf dem mehrere Fluidikmodule (66) angeordnet sind. Apparatus according to claim 5 or 6, wherein the fluidic module (66) is attached to another rotary body (60) on which a plurality of fluidic modules (66) are arranged.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Fluidikstrukturen (16) im Inneren des Fluidikmoduls (14, 66) gebildet sind, wobei eine Einfüllöffnung (80), durch die eine Flüssigkeit in die Fluidikstrukturen (16) einbringbar ist, verschließbar ist. Device according to one of claims 1 to 8, wherein the fluidic structures (16) in the interior of the fluidic module (14, 66) are formed, wherein a filling opening (80) through which a liquid in the fluidic structures (16) can be introduced, is closable ,
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Fluidstrukturen (16) zumindest zwei Fiuidkammern (30a, 30b, 30c) aufweist, die durch zumindest einen Fluidkanal (32a, 32b) fluidisch miteinander verbunden sind. Device according to one of claims 1 to 9, wherein the fluid structures (16) at least two Fiuidkammern (30a, 30b, 30c), which are fluidly connected to each other by at least one fluid channel (32a, 32b).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Fluidikstrukturen (16) einen Überlaufsiphon aufweisen, der einen radial innen liegenden Fluideinlass (90), eine Fluidkammer (92), und einen Auslasskanal (98) aufweist, wobei ein Ende des Auslasskanals (98) in einem bezüglich des Erdgravitationsfelds oberen und radial außenliegenden Bereich der Fluidkammer (92) in die Fluidkammer (92) mündet, wobei der Auslasskanal (98) einen bezüglich des Erdgravitationsfeld an- steigenden Abschnitt (98a), einen radial ansteigenden Abschnitt (98b) und einen radial abfallenden Abschnitt (98b) aufweist, wobei ein Auslass (94) des Auslasskanals (98) radial weiter außen angeordnet ist als das in die Fluidkammer (92) mündende Ende desselben. Apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the fluidic structures (16) comprise an overflow siphon having a radially inner fluid inlet (90), a fluid chamber (92), and an outlet channel (98), one end of the outlet channel (16). 98) opens into the fluid chamber (92) in a region of the fluid chamber (92) which is upper and radially outward relative to the earth's gravitational field, the outlet channel (98) being in contact with the earth's gravitational field. a rising portion (98a), a radially rising portion (98b) and a radially sloping portion (98b), wherein an outlet (94) of the outlet channel (98) is disposed radially further out than the opening into the fluid chamber (92) end thereof ,
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei der die Fluidikstrukturen (16) einen radial abfallenden Kanal (110) aufweisen, der sich in einen ersten Kanal (112) und einen zweiten Kanal (114) verzweigt, wobei der erste Kanal (112) hinsichtlich einer Mitte des radial abfallenden Kanals (110) in der dritten Raumrichtung (z) auf einer ersten Seite in den radial abfallenden Kanal (110) mündet und der zweite Kanal (114) hinsichtlich der Mitte des radial abfallenden Kanals (110) in der dritten Raumrichtung (z) auf einer zweiten Seite in den radial abfallenden Kanal (110) mündet. 12. Device according to one of claims 1 to 11, wherein the fluidic structures (16) have a radially sloping channel (110) which branches into a first channel (112) and a second channel (114), wherein the first channel ( 112) opens with respect to a center of the radially sloping channel (110) in the third spatial direction (z) on a first side in the radially sloping channel (110) and the second channel (114) with respect to the center of the radially sloping channel (110) in the third spatial direction (z) opens on a second side in the radially sloping channel (110).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der der Rotationskörper (10) mehrere Halterungen (12) zur entsprechenden Einbringung oder Anbringung eines jeweiligen Fluidikmoduls (14, 66) aufweist. 13. Device according to one of claims 1 to 12, wherein the rotary body (10) has a plurality of holders (12) for the corresponding introduction or attachment of a respective fluidic module (14, 66).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Halterungen (12) derart angeordnet sind, dass der Mittenabstand (D) der Halterungen (12) an einem radial inneren Ende derselben in bezüglich der Rotationsachse (22) azimutaler Richtung geringer ist als die Erstreckung der Fluidikmodule (14, 66) in der Fluidikebene. 14. The apparatus of claim 13, wherein the brackets (12) are arranged such that the center distance (D) of the brackets (12) at a radially inner end thereof with respect to the axis of rotation (22) azimuthal direction is less than the extent of Fluidic modules (14, 66) in the fluidic plane.
15. Verfahren zur Handhabung von Flüssigkeiten unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit folgenden Merkmalen: 15. A method for handling liquids using a device according to one of claims 1 to 14, comprising:
Einbringen einer Flüssigkeit in die Fluidikstrukturen (16) und Einbringen des Fluidikmoduls (14, 66) in den Rotationskörper (10) oder Anbringen des Fluidikmoduls (14, 66) an dem Rotationskörper (10); und Introducing a liquid into the fluidic structures (16) and introducing the fluidic module (14, 66) into the rotary body (10) or attaching the fluidic module (14, 66) to the rotary body (10); and
Drehen des Rotationskörpers (10) zum Handhaben der Flüssigkeit. Rotating the rotary body (10) to handle the liquid.
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