WO2022037913A1 - Mikrofluidische aufbereitungsvorrichtung und verfahren zum betreiben einer mikrofluidischen aufbereitungsvorrichtung - Google Patents

Mikrofluidische aufbereitungsvorrichtung und verfahren zum betreiben einer mikrofluidischen aufbereitungsvorrichtung Download PDF

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Daniel Sebastian Podbiel
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    • B01L7/525—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples with physical movement of samples between temperature zones

Definitions

  • the invention is based on a microfluidic processing device for processing a sample liquid and a method for operating a microfluidic processing device according to the species of the independent claims.
  • the subject matter of the present invention is also a computer program.
  • Microfluidic analysis systems so-called lab-on-chips or LoCs for short, allow automated, reliable, fast, compact and cost-effective processing of patient samples for medical diagnostics.
  • complex molecular diagnostic test sequences can be carried out on a lab-on-chip cartridge.
  • An important operation is the extraction of components such as nucleic acids from a sample, in particular from a sample liquid.
  • the approach presented here and the use of the preparation device presented here advantageously enable a particularly high yield, ie a high extraction efficiency in the purification of a sample liquid.
  • the processing device presented allows a particularly space-saving arrangement of the microfluidic channels and the necessary connections and interfaces to a microfluidic network, so that a particularly compact implementation of a lab-on-chip cartridge is achieved.
  • a particularly cost-effective and resource-saving production can be achieved, for example, by reducing the use of materials.
  • a microfluidic processing device for processing a sample liquid having at least one microfluidic channel system with at least one filter branch and a pump branch connected in parallel with the filter branch.
  • the processing device has at least one filter chamber arranged in the filter branch for receiving a filter element, wherein the filter branch is or can be fluidically coupled to a channel inlet via a first channel crossing element and to a channel outlet via a second channel crossing element, and the filter chamber is separated from the rest by at least two filter valves Channel system is fluidly separable.
  • the processing device has a pumping device arranged in the pumping branch for producing a fluidic flow in the channel system, wherein the pumping device preferably comprises a pumping valve and at least one pumping chamber, and wherein the pumping branch is fluidically connected to the channel inlet and via a connection of the first channel crossing element that is different from the filter branch a connection of the second channel crossing element other than the filter branch is fluidically coupled or can be coupled to the channel outlet.
  • the first channel crossing element and/or the second channel crossing element can be T-shaped.
  • the channel crossing elements fluidically connect three channels at a common point.
  • a cruciform design of the first and/or the second channel crossing element is also possible, i.e. a fluidic connection of four channels at one point or, viewed differently, two channels that intersect at one point and are fluidically connected at this point.
  • the microfluidic processing device has the advantage that, on the one hand, the filter branch can be flushed when the filter valves open or can be used to extract components from a sample, in particular via the channel inlet and the channel outlet, and that, on the other hand, the pump branch, in particular when the filter valves are closed, can also be used can be flushed, in particular also via the channel inlet and the channel outlet.
  • flushing can advantageously take place through the filter branch and the parallel pump branch, preferably using the pump device arranged in the pump branch. It is also of particular advantage that the joint flushing can take place as a circular flushing through the filter branch and the pump branch via the channel crossing elements. In this way, for example, an extraction, ie an accumulation of sample components present in a sample on the filter element, or an elution, ie a removal of sample components previously enriched on the filter element, can take place.
  • the microfluidic preparation device can thus advantageously be used for rinsing, in particular cleaning the filter element, sample purification or extraction of components from a sample on the filter element or elution, i.e. detaching sample components from the filter element, in particular for purification and elution of nucleic acids on or from the filter element.
  • the rinsing can take place, in particular with a binding buffer, a washing buffer or an elution buffer for the purification of a sample.
  • the presented approach thus also includes a method for operating the microfluidic processing device.
  • the rinsing in particular for cleaning or washing the filter element, can preferably take place as described above via the channel inlet, filter element and channel outlet, ie advantageously via a short path with a low potential dead volume.
  • the filter element in particular an extraction of components from the sample at the filter element, can preferably also take place via the channel inlet, filter element and channel outlet, with preferably no or as little flushing fluid as possible entering the pump branch.
  • the sample can be flushed one or more times via the pump branch through the filter branch over the filter element via circular flushing, which supports efficient purification.
  • the filter element can then be rinsed with a washing buffer.
  • Sample constituents can be eluted from the filter element, in particular nucleic acids, preferably using the pump branch, preferably using the pump device.
  • the processing device can have lateral dimensions of 30 ⁇ 30 mm 2 to 300 ⁇ 300 mm 2 , preferably 50 ⁇ 50 mm 2 to 100 ⁇ 100 mm 2 .
  • the treatment device can be, for example, a polymer cartridge with active or activatable microfluidic elements, ie with microfluidic valves and pump chambers, which can each cause liquids to be displaced from a part of the liquid-carrying structures of the treatment device provided for this purpose.
  • the valves and pump chambers can be controlled pneumatically by a processing unit provided for this purpose, so that fully automated microfluidic processing of the liquids in the polymer cartridge can be achieved.
  • valves and pump chambers can be realized or covered by at least one flexible membrane, which can adjoin further polymer components, wherein liquid-carrying microfluidic structures can be located in at least one of the further polymer components.
  • a microfluidic valve can be realized by separating two liquid-carrying structures by pneumatically induced deflection of the membrane into a sub-volume of the liquid-carrying microfluidic structure that is provided and advantageously shaped for this purpose.
  • a microfluidic pump chamber can also be based on the displacement of liquids from a region of a liquid-carrying structure of the processing device provided for this purpose.
  • a pump chamber can, for example, have a larger volume than a valve and can be used, for example, to temporarily hold defined volumes of liquid, in particular to hold a significant part or almost the entire volume of a liquid to be processed in a step of a microfluidic process.
  • a microfluidic pump chamber can advantageously be used in combination with two microfluidic valves enclosing the pump chamber in order to implement a pump device, which can also be referred to as a pump unit, which enables the highest possible flow rates to be produced in the microfluidic processing device in the most compact space possible .
  • a pump device which can also be referred to as a pump unit, which enables the highest possible flow rates to be produced in the microfluidic processing device in the most compact space possible .
  • This can be achieved, for example, by designing the pumping device from a pumping chamber with a large displacement volume, which is used for pumping, i.e. for the directed displacement of liquids, and two valves with a small displacement volume, which can only be fixed and manufactured by a suitable actuation scheme the pumping direction can be used.
  • this pump device can be distinguished by a large pump volume per pump step, as well as by a small space requirement for the realization of the pump unit and a pulsatile flow rate profile,
  • Peristaltic pumping with three similar active microfluidic elements can be achieved independently of their equal displacement volume, ie in particular both through the use of microfluidic valves, which can have a small displacement volume, or using microfluidic pump chambers, which in particular have a larger displacement volume be able. Consequently, a conceptual distinction between “valve” and “pump chamber” with regard to peristaltic liquid transport is no longer applicable.
  • a microfluidic element which, in addition to producing peristaltic liquid transport, is primarily used to control the microfluidic flow within the microfluidic processing device is therefore referred to below as a microfluidic valve.
  • a microfluidic element which, in addition to producing peristaltic liquid transport, is primarily used to generate the microfluidic flow and temporarily store a significant part of the liquid volume to be processed within the microfluidic device is therefore referred to below as a microfluidic pump chamber.
  • a microfluidic valve and in particular a microfluidic control or isolation valve i.e. a microfluidic valve which is used exclusively for controlling the microfluidic flow or for separating liquid-carrying structures and not for one peristaltic liquid transport, therefore in particular has the smallest possible displacement volume, on the one hand in order to have the smallest possible liquid volume, which can be flushed in a microfluidic process if necessary, and on the other hand in order to achieve the most compact possible realization of the microfluidic device.
  • a pump chamber which is used in particular for defined storage and metering can be used by liquids, however, has in particular a predetermined displacement volume, for example 20pl, which essentially corresponds to the liquid volume to be processed or at least a significant fraction thereof.
  • the filter chamber arranged in the filter branch is designed to accommodate a filter element, which can also be referred to as a filter.
  • the filter chamber can, for example, have a volume of 3 pl to 20 pl, preferably 5 pl to 10 pl, and be enclosed by two filter valves with a displacement volume of, for example, 80 nl to 1 pl, preferably 100 nl to 300 nl.
  • the volume of the filter branch is advantageously as small as possible, as a result of which particularly efficient microfluidic processing, in particular in connection with the purification of a sample liquid, is possible.
  • the filter element can be, for example, a silica filter that can be used for the extraction of nucleic acids.
  • different buffer solutions can be pumped through the filter element, for example to enable the nucleic acids to bind to the silica filter with a so-called binding buffer, or to achieve a so-called elution buffer to dissolve the nucleic acids bound to the silica filter , or to flush the silica filter with a so-called wash buffer between binding and dissolving the nucleic acids.
  • the preparation device advantageously allows microfluidic processing for the purification of a sample liquid using a filter element with only small dead volumes.
  • the sample liquid can be, for example, aqueous solutions containing sample material, in particular sample material of human origin, obtained from z. B. body fluids, swabs, secretions, sputum or tissue samples.
  • the targets to be detected in the sample liquid are of particular medical, clinical, therapeutic or diagnostic relevance and can, for example, be bacteria, viruses, certain cells, such as e.g. B. circulating tumor cells, cell-free DNA or other biomarkers.
  • a variant of the microfluidic processing device presented here can reduce an amount of wash buffer that can undesirably get into the elution buffer. In this way, a particularly high level of efficiency can be achieved in the purification of a sample liquid.
  • the channel system which can also be referred to as a channel, can be shaped, for example, in the form of a ring or a loop, with the filter chamber arranged in the channel system, the at least one pump chamber and the various valves being fluidically coupled or capable of being coupled to the channel system.
  • the first channel crossing element arranged in the channel system is preferably T-shaped, with the channel inlet, the filter branch and the pump branch each being connected to a different connection of the first channel crossing element and thus being or can be coupled to one another.
  • the second channel crossing element is preferably T-shaped and forms a connection between the channel outlet, the filter branch and the pump branch, which are also each connected to a different connection of the second channel crossing element.
  • the cross-sectional area of a microfluidic channel in the channel system and the cross-sectional area of the connections to the channel system can be, for example, 0.2 ⁇ 0.2 mm 2 to 2 ⁇ 2 mm 2 , preferably 0.3 ⁇ 0.3 mm 2 to 0.8 ⁇ 0. be 8 mm 2 .
  • the treatment device can advantageously be made inexpensively from polymer materials such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), cycloolefin copolymer (COP, COC) or polymethyl methacrylate (PMMA), for example by the Use of high-throughput techniques such as injection moulding, thermoforming or stamping, it being possible for example to use laser transmission welding.
  • Liquid transport within the microfluidic processing device can be achieved in a particularly simple manner by deflecting a flexible polymer membrane into liquid-conducting recesses in a rigid polymer component, so that liquids are displaced in a controlled manner within the microfluidic processing device, in particular by applying different pressure levels to a pneumatic interface the processing device, can be achieved.
  • thermoplastic elastomers such as polyurethane (TPU) or styrene block copolymer (TPS) can be used as the flexible membrane.
  • TPE thermoplastic elastomers
  • the flexible membrane can be microstructured, for example, by stamping.
  • the liquids that can be used in the processing device can be, for example, aqueous solutions or buffer solutions, as well as fluorinated hydrocarbons such as 3M Fluorinert, for example for sealing microcavities, and also oils such as mineral, paraffin or silicone oils, for example for the production of multi-phase systems in the processing device .
  • the liquids can in particular be introduced into the preparation device during the production of the preparation device, for example filled and enclosed in reagent bars which, for example, allow long-term stable storage of the liquids in the preparation device.
  • the pump device can comprise two, in particular three, pump chambers arranged or connected in a row adjacent to one another.
  • the pump chambers can be used, for example, to create a flow in the channel system and in particular through the filter chamber and can each be designed to take up a defined volume of liquid.
  • the pump chambers can be separable from the channel system by two pump valves surrounding the two outer ones of the three pump chambers.
  • a defined volume of liquid within the three Pump chambers, including the connecting channels between the chambers, are pumped back and forth without a liquid exchange with the rest of the microfluidic network.
  • a suitably controlled actuation of the two or three pump chambers can be used to transport liquid through the microfluidic channel system and in particular through the filter chamber, with the volume of liquid transported in one pumping step corresponding to the displacement volume of a pump chamber.
  • the liquid can be transported in the microfluidic channel system unidirectionally or bidirectionally.
  • the pump device can comprise a further pump chamber, wherein the further pump chamber is separated or can be separated from the pump chambers connected in series by at least one pump valve.
  • the further pump chamber can be connected in series with the other pump chambers of the pump device, it being possible for the further pump chamber to be separable from the channel system, for example by two microfluidic pump valves.
  • the further pump chamber can be used in combination with the other pump chambers for an optimized liquid transport in the microfluidic channel system, wherein the liquid volume transported in one pumping step can correspond to the displacement volume of two pump chambers.
  • pumping within the scope of an elution step can be achieved by means of four pump chambers, in which case the processed liquid volume of elution buffer can essentially correspond to the displacement volume of two pump chambers.
  • an amplification reaction can be carried out in three pump chambers separated by two valves and each suitably temperature-controlled, with the liquid volume used in the polymerase chain reaction can essentially correspond to the displacement volume of a pumping chamber.
  • a dilution and/or addition of further reagents can then in turn be made possible, so that the liquid volume can again essentially correspond to the displacement volume of two pump chambers.
  • a total of this embodiment has the advantage that a high degree of flexibility can be achieved when carrying out microfluidic processes, for example for carrying out molecular diagnostic tests.
  • providing different pump rates and flow rate profiles can improve the efficiency of the purification by optimizing the pump rates, in particular the pump rates that are used for processing the filter element or a liquid flow through the filter element.
  • the pump rates in particular the pump rates that are used for processing the filter element or a liquid flow through the filter element.
  • an optimized pumping protocol for microfluidic processing can be determined and used depending on the filter material used and the composition of the buffer solutions.
  • a particularly low flow rate can, for example, reduce shear forces which act on components present in the sample liquid.
  • each of the pump chambers connected in series and the further pump chamber can have a volume which is essentially the same size.
  • a displacement volume of a pump chamber can be 10 pl to 50 pl, in particular 15 pl to 25 pl.
  • the pump chambers can each have the same volume, for example within a tolerance range of 5%.
  • the pump valves of the pump device can have a displacement volume of 200 nl to 3 pl, in particular 500 nl to 2 pl, for example.
  • a peristaltic pumping process can be favored by a suitably controlled actuation of the pumping chambers, in which case the volume of liquid transported in one pumping step can correspond to the displacement volume of a pumping chamber.
  • the processing device allows a microfluidic processing of variable liquid volumes.
  • a combination of pump valves and pump chambers, i.e. microfluidic elements for generating a flow, which have at least two displacement volumes that are different from one another, enables, for example, both a particularly precise liquid transport of particularly small and precisely definable volumes with a small flow rate, using the pump valves, and a particularly fast liquid transport of large volumes with a larger flow rate, using at least one pump chamber, is also possible.
  • the processing device presented here is advantageously particularly versatile and universally applicable.
  • At least two of the pump chambers connected in series can each be designed to be temperature-controlled independently of one another.
  • the pump chambers can be brought to different temperatures essentially independently of one another, for example by means of a temperature control device.
  • the first of three pump chambers arranged in a row to a temperature between approx. 94 to 96°C, for example 95°C
  • the second pump chamber to a temperature between 68 to 72°C, for example 70°C
  • the third pump chamber to a temperature between 55 to 65°C, for example 60°C.
  • a polymerase chain reaction for example, can be carried out in a liquid volume delimited by pump valves and essentially predetermined by the size of the pump chambers by pumping back and forth between the pump chambers at different temperatures.
  • the processing device can have a channel system expansion module that is or can be coupled fluidically to the pump branch, wherein the channel system expansion module can comprise at least one pre-storage chamber for pre-storing reagents and additionally or alternatively at least one evaluation chamber with evaluation cavities for evaluating sample components of a sample liquid. If an external analysis device is used to analyze the evaluation cavities, an evaluation signal can be provided using the processing device presented here.
  • the pre-storage chamber can be used for pre-storage of dry reagents.
  • a lyophilisate which can also be referred to as a bead and which can be provided for the production of a reaction liquid or a reaction mix, for example for carrying out a polymerase chain reaction
  • the dry reagent can be dissolved after purification of a sample from at least part of an eluate obtained in order to produce a reaction liquid that contains sample material purified by means of the filter element and then for amplification of particular components of the sample material, such as certain DNA sequences , for example using the arrangement of pump chambers described above, can be used in order to enable, for example, subsequent fluorescence- or chemiluminescence-based detection of these components of the sample material.
  • the evaluation chamber can, for example, comprise a chip with an array of microcavities and form a flow cell for microfluidic processing of the chip with the microcavities.
  • the so-called array chip can essentially consist of silicon, for example, produced from silicon plates (“silicon wafers”) using lithographic methods, etching, coating and separating.
  • target-specific reagents can be stored upstream in the microcavities, which can enable detection of different targets in a liquid, for example by geometric multiplexing, with the reagents being able to be introduced into the microcavities, for example by means of a fine dispensing system.
  • a sample liquid can therefore advantageously be examined for a large number of different characteristics using the channel system expansion module.
  • the pre-storage chamber can be fluidically coupled or can be coupled to the pump branch by means of a channel connection element that can be closed with a reservoir valve
  • the evaluation chamber can be fluidly coupled or can be coupled to the pump branch by means of a further channel connection element that can be closed with an evaluation valve.
  • the reservoir valve and the evaluation valve can be closed while a sample liquid is being processed within the pump branch.
  • the pumping device can comprise a single pumping chamber and at least three pumping valves.
  • the three pump valves can be actuated independently of one another and can be used by an actuation according to a peristaltic scheme for the production of a flow in the microfluidic channel system and in particular the filter chamber.
  • the pumping device can be designed in a particularly space-saving manner.
  • an inlet valve can be arranged between the channel inlet and the first channel crossing element and, additionally or alternatively, an outlet valve can be arranged between the channel outlet and the second channel crossing element.
  • an inlet valve and an outlet valve it is possible to separate the channel inlet and the channel outlet from the microfluidic channel system, for example designed in a loop shape, including the filter chamber with the filter element, from the rest of the microfluidic network. In this way, pumping in a circle within the microfluidic channel system across the filter chamber can advantageously be achieved without a liquid exchange taking place with the remaining part of the microfluidic network.
  • a method for operating a variant of a previously described microfluidic processing device comprises a step of introducing a sample liquid into the microfluidic processing device, a step of extracting or purifying sample components present in the sample liquid through a filter element and a step of eluting sample components from the filter element.
  • Elution can be understood as a detachment of sample components from the filter element.
  • the method can have an additional step of lysing components of the sample liquid after the introduction step and before the extraction step and additionally or alternatively a step of washing the filter element and additionally or alternatively the filter chamber subsequent to the extracting step and prior to the eluting step.
  • a significant improvement in the analysis of the sample liquid can be achieved by such an embodiment.
  • the method can comprise an additional step of providing a reaction liquid by dissolving a reagent using the sample components following the eluting step. Additionally or alternatively, the method can have an additional step of carrying out an amplification reaction and additionally or alternatively an additional step of aliquoting the reaction liquid and additionally or alternatively an additional step of carrying out a detection reaction and additionally or alternatively an additional step of evaluating a reaction result. A significant improvement in the analysis of the sample liquid can also be achieved by such an embodiment.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also creates a control device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices or units.
  • the object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by this embodiment variant of the invention in the form of a control device.
  • control device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and/or or have at least one communication interface for reading in or outputting data that are embedded in a communication protocol.
  • the computing unit can for example a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit can be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit.
  • the communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read in or output wire-bound data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it to a corresponding data transmission line.
  • a control device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and outputs control and/or data signals as a function thereof.
  • the control unit can have an interface that can be designed in terms of hardware and/or software.
  • the interfaces can be part of what is known as a system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the control unit.
  • the interfaces can be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components.
  • the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and/or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous used, particularly when the program product or program is run on a computer or device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a processing device
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a processing device
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a processing device with a channel system expansion module
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a processing device with a channel system expansion module
  • FIG. 5A shows a flowchart of an embodiment of a method for operating a microfluidic processing device
  • 5B shows a block diagram of a control device for operating a microfluidic processing device according to a variant presented here;
  • FIG. 6 shows a flowchart of an embodiment of a method for operating a microfluidic processing device with an additional step of lysing and an additional step of washing
  • FIG. 7 shows a flowchart of an embodiment of a method for operating a microfluidic processing device with a channel system expansion module.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a processing device 100.
  • the processing device 100 is designed with lateral dimensions of 45 ⁇ 25 mm 2 .
  • the processing device 100 comprises a microfluidic channel system 105 for receiving a sample liquid, ie a liquid with components of a sample.
  • the cross-sectional area of the channel system 105 is 0.4 ⁇ 0.6 mm 2 .
  • the channel system is formed with a cross-sectional area of 0.8 ⁇ 0.8 mm 2 .
  • the sample liquid is introduced into the processing device 100 via a channel inlet 110, with the channel inlet 110 forming a connection to a microfluidic network, which is not shown in this figure.
  • the channel inlet 110 can be separated from the other areas of the treatment device 100 by means of an inlet valve 115 .
  • the inlet valve 115 is arranged between the channel inlet 110 and a first channel crossing element 120, with the first channel crossing element 120 preferably being T-shaped. While the channel inlet 110 is fluidically coupled to a connection of the first channel crossing element 120 via the isolation valve 115 , another connection of the first channel crossing element 120 is in turn fluidly coupled to a filter branch 125 of the treatment device 100 .
  • the filter branch 125 comprises a filter chamber 130 in which a filter element 135 is arranged in this exemplary embodiment, the filter chamber 130 being usable for extracting sample components, which can also be referred to as components of a sample.
  • a first filter valve 140a is arranged between the filter chamber 130 and the first channel crossing element 125 .
  • a second filter valve 140b is arranged between the filter chamber 130 and a second channel crossing element 145 .
  • the filter chamber 130 can be separated from the remaining areas of the processing device 100 by means of the first filter valve 140a and the second filter valve 140b.
  • two filter valves 140a, 140b which can also be referred to as microfluidic switching valves, are arranged on the microfluidic channel in the immediate vicinity of the filter chamber 130 on both sides of the filter chamber 130, so that by closing the two Filter valves 140a, 140b, the filter chamber 130 can be separated from the channel.
  • the filter valves 140a, 140b have a particularly small volume in order to minimize the volume around the filter chamber 130.
  • the filter valves 140a, 140b are synchronized merely by way of example, so that they can be actuated jointly via exactly one pneumatic control channel.
  • the processing device 100 is therefore characterized by a particularly advantageous arrangement and configuration of the microfluidic elements for a filter-based purification of a sample liquid, in particular by the realization of a microfluidic channel system 105, which is in particular designed in the form of a loop, which contains a filter chamber 130 with a filter element 135, wherein the filter chamber 130 can be separated in a fluid-tight manner from the remaining part of the microfluidic channel system 105 by two microfluidic filter valves 140a, 140b.
  • the two microfluidic filter valves 140a, 140b are in particular actuated jointly in order to achieve a particularly simple and compact pneumatic control that can be implemented.
  • the processing device 100 also has two preferably T-shaped channel crossing elements 120, 145, which are arranged in the closest possible vicinity to the two filter valves 140a, 140b surrounding the filter chamber 130, which can also be referred to as isolation valves, and exactly two microfluidic connections to the form the microfluidic channel system 105, so that in particular when the shut-off valves 140a, 140b surrounding the filter chamber 130 are closed, the remaining part of the microfluidic channel system 105 can be flushed via the connections.
  • the filter chamber 130 When the second filter valve 140b is open, the filter chamber 130 is fluidically coupled via a connection of the T-shaped second channel crossing element 145 to a channel outlet 150 connected to another connection of the second channel crossing element 145 .
  • the channel outlet 150 forms a connection to a collection chamber (not shown in the figure), with the channel outlet 150 being usable for dispensing the sample liquid after components have been extracted by the filter element 135 .
  • the channel outlet is 150 congruent to the channel inlet 110 with an outlet valve 152 can be separated from the other areas of the treatment device 100 .
  • the first channel crossing element 120 and the second channel crossing element 145 both of which can also be referred to as channel crossings, accordingly enclose the filter chamber 130 and the two filter valves 140a, 140b arranged around the filter chamber 130, which can also be referred to as switching valves.
  • a pump branch 155 with a pump device 157 is connected in parallel with filter branch 125, pump branch 155 being fluidly connected to channel inlet 110 via a different connection of first channel crossing element 120 than filter branch 125 and being fluidly connected to channel inlet 110 via a different connection of second channel crossing element 145 than filter branch 125 is coupled to the duct outlet 150 .
  • the filter branch 125 and the pump branch 155 form a system that can be closed in a loop via the connection through the channel system 105 .
  • the pump branch 155 has on the one hand at least two, here exactly three pump chambers 160a, 160b, 160c, which directly adjoin one another.
  • the pump chambers 160a, 160b, 160c are arranged in series along the microfluidic channel system 105 and are therefore connected in series and have almost the same volume.
  • they can be fluidically separated from the remaining areas of the processing device 100 via two microfluidic pump valves 165a, 165b enclosing the three pump chambers 160a, 160b, 160c.
  • the serial arrangement of pump chambers 160a, 160b, 160c and pump valves 165a, 165b on the loop-shaped microfluidic channel system 105 which can be used to transport liquids through the filter chamber 130 and within the microfluidic channel system 105, enable a peristaltic pumping process.
  • the temperature of the pump chambers 160a, 160b, 160c can also be controlled individually in this exemplary embodiment, that is to say essentially independently of one another.
  • the three pump chambers 160a, 160b, 160c can be used in particular as part of a purification of a sample liquid using the filter chamber 130 with the filter element 135, for example for carrying out a polymerase chain reaction be used.
  • the pump chambers 160a, 160b, 160c also enable amplification of purified sample material in the preparation device 100.
  • this embodiment has a further pump chamber 170, with each of the series-connected pump chambers 160a, 160b, 160c and the further pump chamber 170 having an essentially equally large volume, so that there are a total of four pump chambers 160a, 160b, 160c, 170 of the same type.
  • the additional pump chamber 170 can also be separated from the remaining areas of the processing device 100 by two additional pump valves 175a, 175b.
  • Both the pump valves 165a, 165b and the other pump valves 175a, 175b are designed not only for the function of separating but also for use as peristaltic pump valves, which is why they have a larger displacement volume than that used primarily for separating the filter chamber 130 from the other areas of the Processing device 100 trained first filter valve 140a and the second filter valve 140b.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a processing device 100. This can be the processing device described in FIG.
  • the processing device 100 is based on a flexible, microstructured polymer membrane, which has two microstructured polymer components by means of laser welding, which can also be referred to as laser transmission welding, has been welded in particular over part of the area.
  • the rigid polymer components there are in particular liquid-carrying recesses which contain the microfluidic channels of the channel system 105, the pump chambers 160a, 160b, 160c, the further pump chamber 170, the pump valves 165a, 165b, the further pump valves 175a, 175b, the filter valves 140a, 140b, the inlet valve 115 and the outlet valve 152 realize.
  • At least one of the components has, in particular, pneumatic channels 210, which are used for controlling the active microfluidic elements, in particular the pump chambers and the valves.
  • the microfluidic elements are actuated by a pressure-based, locally defined deflection of the elastic membrane into the recesses of the polymer components that form the valves and pump chambers.
  • At least two pressure levels are used to control the microfluidic elements.
  • the pressure levels are controlled and provided by an external processing unit, which has a pneumatic interface 205 to the processing device 100 .
  • the interface 205 in this figure is arranged on the left-hand edge of the illustration purely by way of example.
  • the pneumatic channels 210 which are used to control the microfluidic elements, are shown in red in this figure.
  • the microfluidic channels of the channel system 105 and the filter chamber 130 are shown in blue, the pneumatically controllable microfluidic elements, like the pneumatic channels 210, are visualized in red.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a processing device 100 with a channel system expansion module 300. This can be the processing device described in the previous figures.
  • the pump chambers 160a, 160b, 160c arranged in a row can be temperature-controlled independently of one another by means of a temperature-control device (not shown).
  • a temperature-control device not shown.
  • the first of the three pumping chambers 160a is at a temperature of 95°C
  • the second pumping chamber 160b at a temperature of 70°C
  • the third of the three Pumping chambers 160c brought to a temperature of 60°C. In this way, it is possible to carry out a polymerase chain reaction within a liquid volume which is periodically pumped back and forth between the three pump chambers 160a, 160b, 160c.
  • the row of pump chambers 160a, 160b, 160c can be separated from the microfluidic channel system 105 by two microfluidic pump valves 165a, 165b.
  • the microfluidic pump valves 165a, 165b are prevented and the dead volumes adjacent to the pump chambers 160a, 160b, 160c are minimized during the thermal and microfluidic processing of the liquid volume.
  • the pump branch 155 is fluidically coupled to a pre-storage chamber 310 via an additional, preferably T-shaped channel crossing element 305 .
  • the pre-storage chamber 310 is used to pre-store freeze-dried reagents.
  • a reservoir valve 320 is arranged on a channel connection element 315 between the additional channel crossing element 305 and the storage chamber 310 , with the reservoir valve 320 being designed to separate the storage chamber 310 from the pump branch 155 .
  • the channel connection element 315 creates a connection that can be closed by the reservoir valve 320 between the pump branch 155 and the microfluidic storage chamber 310, which contains at least one upstream reagent 318, in particular a so-called bead, which can also be referred to as a lyophilizate and which is used for the Provision of a reaction liquid can be used using an eluate, ie the liquid which is obtained from purification of the sample liquid using the preparation device 100 and the filter element 135 described in FIG.
  • a reaction liquid which can also be referred to as a reaction mix, is provided by dissolving a bead in the microfluidic pre-storage chamber 310 using the bead previously obtained from purification eluates.
  • the pre-storage chamber 310 can be actuated pneumatically, for example only, and is therefore comparable to the other pump chambers 160a, 160b, 160c in order to also provide a pumping effect with the pre-storage chamber 310.
  • the microfluidic channel system 105 has a further, preferably T-shaped, channel crossing element 325 between the additional channel crossing element 305 and the further pump valve 175a, with a continuing further channel connection element 327, via which the pump branch 155 is fluidically coupled to an evaluation chamber 330.
  • the further channel connection element 327 can be closed with an evaluation valve 335 .
  • the evaluation chamber 330 which can also be referred to as an array chamber, comprises a chip with an array of evaluation cavities 345, which can also be referred to as microcavities.
  • target-specific reagents are stored in front of them, only by way of example, which enable different targets in the liquid to be detected by geometric multiplexing.
  • the microfluidic valves 347a, 347b which are provided in particular for microfluidic processing of the evaluation chamber 330 by means of peristaltic pumping, have a displacement volume designed suitably for this purpose, merely by way of example.
  • the displacement volume of the microfluidic valves 347a, 347b exceeds the volume of the pump valves 165a, 165b which are used for peristaltic pumping in the pump branch 155.
  • this exemplary embodiment also includes access to a further storage chamber 350, which can also be referred to as a bead chamber, in which there is a further freeze-dried reagent 358, which is only used as an example for the production of a reaction liquid for the multiplex detection in the chip with the evaluation cavities 345 can be used.
  • this exemplary embodiment has additional microfluidic elements which can be used in particular for a more extensive sample analysis of the sample material purified by means of the processing device 100 .
  • the processing device 100 in this exemplary embodiment has a unit for aliquoting or partitioning the processed sample liquid.
  • a unit for aliquoting or partitioning the processed sample liquid by pre-storing further dry reagents in the evaluation cavities 345 for the aliquoting in the individual aliquots, different detection reactions that are independent of one another can be carried out for addressing different targets in the sample liquid.
  • geometric multiplexing a sample liquid can be examined for the presence of a large number of different features.
  • the chip with the evaluation cavities 345 allows the microfluidic generation of a particularly large number of aliquots of the processed sample liquid, in particular more than 1000 partitions. In this way, a digital sample analysis is made possible. In this way, for example, a number of copies of a target initially present in a sample liquid can be quantified with absolute accuracy.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a processing device 100 with a channel system expansion module 300. This can be the processing device described in the previous figures and the channel system expansion module described in FIG.
  • the processing device 100 includes a storage chamber 310 , a further storage chamber 350 and an evaluation chamber 330 which is provided for receiving and for microfluidic processing of a chip with evaluation cavities 345 .
  • the microfluidic processing device 100 is inclined relative to the effective direction of a gravitational field, in one angle of about 30°. In another exemplary embodiment, the processing device 100 is aligned in a predetermined angular range between 0° and 45° to the field lines of the earth's gravitational field with a gravitational acceleration of approximately 9.81 m/s 2 . With a suitable orientation of the pre-storage chamber 310 and the microfluidic channels adjacent thereto in the processing device 100, gas bubbles that form when the reagent is dissolved are removed, driven by gravity, by the buoyancy force acting on the gas bubbles due to the difference in density from the surrounding liquid. whereas the reaction liquid can be reused free of gas bubbles.
  • the reaction liquid can then be used, for example, to carry out a polymerase chain reaction in the processing device 100 in order to amplify components of the eluate, which are only exemplary specific, specified nucleic acid sequences, and thus make them accessible for a subsequent detection reaction.
  • the subsequent detection reaction is an amplification reaction which is carried out in an array format in order to detect different targets using a fluorescence signal.
  • the subsequent detection reaction is a hybridization reaction, which is carried out in an array format in order to detect different targets using a bioluminescence signal.
  • FIG. 5A shows a flow chart of an embodiment of a method 500 for operating a microfluidic conditioning device. This can be the processing device described in the previous figures.
  • the method 500 includes a step 505 of introducing a sample liquid into the microfluidic processing device.
  • the method 500 includes a step 510 of extracting sample components present in the sample liquid through a filter element, wherein components present in the sample liquid, which are nucleic acids in this exemplary embodiment, are attached to the filter element, which is in the filter chamber is located.
  • this step is carried out by pumping a binding buffer only by way of example.
  • the extraction and an optional subsequent step of washing the filter element can take place via channel inlet 110, filter branch 125 and channel outlet 150, with no or as little fluid as possible being fed into the pump branch 155, in particular by closing the pump valves 165a, 165b and preferably also with the closing of the other pump valves 175a, 175b.
  • the method 500 has a step 515 of eluting sample components from the filter element. In the process, sample components bound to the filter are dissolved down.
  • elution can take place via flushing through the pump branch 155 and the filter branch 125, in a particular embodiment via multiple, circular flushing, in particular when the inlet valve 115 and the outlet valve 152 are closed and when the pump valves 165a, 165b are opened and, if present, preferably the further pump valves 175a, 175b.
  • this is done using an elution buffer in which the components are present after they have been dissolved out.
  • the microfluidic channel is flushed with an elution buffer before the actual elution, with the filter chamber being separated by means of the microfluidic filter valves in order to remove residues of the binding buffer and the washing buffer.
  • FIG. 5B shows a block diagram of an exemplary embodiment of a control device 550 for operating a microfluidic processing device according to a variant presented here.
  • the control unit includes a unit 555 for controlling introduction of a sample liquid into the microfluidic processing device.
  • the control unit 550 comprises a unit 560 for controlling an extraction of sample components present in the sample liquid by a filter element and a unit 565 for controlling an elution of sample components from the filter element.
  • Fig. 6 shows a flow chart of an embodiment of a method 500 for operating a microfluidic processing device with an additional step 600 of lysing and an additional step 605 of washing This can involve the method described in FIG.
  • step 505 of introduction and before step 510 of extraction is followed by a step 600 of lysing the sample liquid, in which a lysis of components present in the sample liquid, such as bacteria or cells, is carried out.
  • the lysis is carried out, for example only, by adding a lysis buffer to the sample liquid, in which case the lysis buffer mixed with the sample liquid can then be conducted in an extraction step 510 via the channel inlet 110, the filter branch 125 and the channel outlet 150, in particular when the first pump valve 165a and 165a is closed closed further first pump valve 175a, and an accumulation of sample components released during the lysis, such as nucleic acids, can take place on the filter element.
  • the lysis is carried out by exposure to ultrasound.
  • the method 500 in this exemplary embodiment has a step 605 of washing the filter element and the filter chamber after the step 510 of extracting and before the step 515 of eluting, the step 605 of washing as described above for FIG Path channel inlet 110 - filter branch 125 - channel outlet 150 can take place.
  • step 605 of washing in particular residues of the binding buffer located in the vicinity of the filter chamber are removed and replaced by the washing buffer.
  • FIG. 7 shows a flowchart of an exemplary embodiment of a method 500 for operating a microfluidic processing device with a channel system expansion module 300. This can involve the method described in FIG. 5 and in FIG.
  • the method 500 includes an additional step 700 of providing a reaction liquid by dissolving a reagent using the sample components following the step 515 of eluting.
  • the step 700 of providing a reaction liquid can also be referred to as the bead dissolving step. In doing so at least part of the previously obtained eluate is transferred to a storage chamber described in FIG. 3 in order to dissolve a reagent stored there and to produce a reaction liquid for a first amplification reaction.
  • the method 500 in this embodiment has a step 705 of performing an amplification reaction.
  • the reaction liquid produced is cyclically tempered to two different temperature levels in two pump chambers which are arranged in series and can be separated by pump valves, in particular in one or more of the pump chambers 160a, 160b, 160c in the pump branch 155.
  • the tempering for used to carry out a multiplex polymerase chain reaction is used to carry out a multiplex polymerase chain reaction.
  • the step 705 of performing an amplification reaction is followed by a step of diluting the reaction liquid, which contains the reaction products from the first amplification reaction.
  • a further optional step of tempering takes place after step 705 of carrying out an amplification reaction, in order to bring about a denaturation of components of the reaction liquid.
  • step 705 of carrying out an amplification reaction there is a step of adding further reagents, which are present, for example, in liquid or in solid, for example freeze-dried or lyophilized form.
  • step 700 of providing a reaction liquid is repeated.
  • a part of the diluted reaction liquid, which contains part of the reaction products from the first amplification reaction is used in order to dissolve a further bead in the further pre-storage chamber and to produce a reaction liquid for carrying out a detection reaction.
  • the method 500 in this exemplary embodiment includes an additional step 710 of aliquoting the reaction liquid. In this case, a portion of the reaction liquid from step 700 of providing a reaction liquid is distributed to at least two reaction compartments.
  • part of the liquid is transferred into the microcavities via the evaluation chamber described in FIG microfluidic reaction compartments made up of parts, or aliquots, of the reaction liquid in the microcavities.
  • target-specific reagents are stored in front of the individual microcavities in order to examine the aliquoted liquid present for the presence of different targets.
  • the method 500 also has a step 715 of carrying out a detection reaction, in particular in the evaluation chamber 330.
  • the detection reaction is, merely by way of example, a second amplification reaction, specifically a polymerase chain reaction, in which the microcavities and of the microfluidic reaction compartments located therein, in order to enable further amplification reactions to be carried out in them.
  • the detection reaction is an isothermal amplification variant.
  • the method 500 in this exemplary embodiment includes an additional step 720 of evaluating a reaction result, in particular in the evaluation chamber 330.
  • the evaluation is carried out optically by evaluating a fluorescence signal, which is caused by probe molecules present in the individual reaction compartments. On the basis of the signal, the sample liquid can thus be examined for the presence of different target substances.
  • step 720 of evaluating takes place in parallel with 715 of carrying out a detection reaction.
  • individual steps may be performed repeatedly, reversed in their order, or omitted.
  • processing device presented here can be described as follows:
  • the processing device described in the previous figures is characterized, among other things, by a particularly high variability of the adjustable flow rates and pump characteristics for the processing of the filter element, in particular by using at least two different types of active microfluidic elements for generating a flow. That means in particular by membrane-based elements with at least two different fluid displacement volumes, in particular suitably dimensioned pump chambers and pump valves as described in the previous figures.
  • the processing device has a suitable arrangement and number of microfluidic elements, for example to enable peristaltic pumping with at least three elements, with the volume of liquid transported in one step corresponding to the displacement volume of an element, or to enable, for example, unidirectional or bidirectional pumping using to achieve four identical elements, with the volume of liquid that can be transported corresponding to the displacement volume of two elements.
  • the processing device described in the previous figures enables a particularly advantageous connection of the processing device, which can also be referred to as a purification unit, to a microfluidic network and a particularly space-saving arrangement and efficient and multiple use of the microfluidic elements forming the purification unit.
  • a particularly advantageous connection of the processing device which can also be referred to as a purification unit, to a microfluidic network and a particularly space-saving arrangement and efficient and multiple use of the microfluidic elements forming the purification unit.
  • this is through an implementation of three in series arranged pump chambers in the microfluidic channel system can be realized, which can be separated by two valves adjacent to the two outer of the three pump chambers from the microfluidic channel system and the microfluidic network surrounding the processing device and which can be temperature-controlled individually, i.e. essentially independently of one another.
  • the three isolated pump chambers can be used to periodically bring a liquid plug therein to different temperatures and, for example, to carry out a polymerase chain reaction
  • the processing device described in the previous figures has a low dead volume, in particular of a washing buffer, which undesirably ends up in an elution buffer, in particular due to the spatially direct arrangement of the two filter valves surrounding the filter chamber with the filter element and the adjacent T-shaped channel crossing elements and /or a minimization of the channel volume present there.
  • the processing device described in the previous figures is characterized by the possibility of processing variable liquid volumes, in particular by implementing a total of four pump chambers in the purification unit, in order to use a liquid plug, which essentially has the displacement volume of one or two of the pump chambers. to be able to process in the purification unit.
  • the possibility of embedding the sample liquid volume to be processed in a second immiscible liquid phase can also benefit the preparation process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung (100) zum Aufbereiten einer Probenflüssigkeit, wobei die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung (100) mindestens ein mikrofluidisches Kanalsystem (105) mit mindestens einem Filterzweig (125) und einem mit dem Filterzweig (125) parallel geschalteten Pumpzweig (155) aufweist. Zudem weist die Aufbereitungsvorrichtung (100) mindestens eine in dem Filterzweig (125) angeordnete Filterkammer (130) zum Aufnehmen eines Filterelements (135) auf, wobei der Filterzweig (125) über ein erstes, insbesondere T-förmiges, Kanalkreuzungselement mit einem Kanaleinlass (110) und über ein zweites, insbesondere T-förmiges, Kanalkreuzungselement mit einem Kanalauslass (150) fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist und wobei die Filterkammer (130) durch zumindest zwei Filterventile (140a, 140b) vom restlichen Kanalsystem (105) fluidisch abtrennbar ist. Zudem weist die Aufbereitungsvorrichtung (100) eine in dem Pumpzweig (155) angeordnete Pumpeinrichtung (157) zum Herstellen eines fluidischen Flusses im Kanalsystem (105) auf, wobei der Filterzweig (125) Teil des Kanalsystems (105) ist. wobei die Pumpeinrichtung (157) zumindest ein Pumpventil (165a) und mindestens eine Pumpkammer (160a) umfasst und wobei der Pumpzweig (155) über einen anderen Anschluss des ersten Kanalkreuzungselements als der Filterzweig (125) fluidisch mit dem Kanaleinlass (110) und über einen anderen Anschluss des zweiten Kanalkreuzungselements als der Filterzweig (125) fluidisch mit dem Kanalauslass (150) gekoppelt oder koppelbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung zum Aufbereiten einer Probenflüssigkeit und einem Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Mikrofluidische Analysesysteme, sogenannte Lab-on-Chips oder kurz LoCs, erlauben ein automatisiertes, zuverlässiges, schnelles, kompaktes und kostengünstiges Prozessieren von Patientenproben für die medizinische Diagnostik. Durch die Kombination einer Vielzahl von Operationen für die kontrollierte Manipulation von Fluiden können komplexe molekulardiagnostische Testabläufe auf einer Lab-on-Chip- Kartusche durchgeführt werden. Eine wichtige Operation stellt dabei die Extraktion von Bestandteilen wie beispielsweise Nukleinsäuren aus einer Probe, insbesondere aus einer Probenflüssigkeit dar.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung zum Aufbereiten einer Probenflüssigkeit und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Durch den hier vorgestellten Ansatz sowie den Einsatz der hier vorgestellten Aufbereitungsvorrichtung wird vorteilhafterweise eine besonders hohe Ausbeute, das heißt eine hohe Extraktionseffizienz bei der Aufreinigung einer Probenflüssigkeit, ermöglicht. Die vorgestellte Aufbereitungsvorrichtung erlaubt eine besonders platzsparende Anordnung der mikrofluidischen Kanäle sowie der notwendigen Anbindungen und Schnittstellen an ein mikrofluidisches Netzwerk, sodass eine besonders kompakte Realisierung einer Lab-on-Chip Kartusche erreicht wird. So kann insbesondere eine besonders kostengünstige und ressourcenschonende Fertigung beispielsweise durch eine Reduktion des Materialeinsatzes erzielt werden.
Es wird eine mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung zum Aufbereiten einer Probenflüssigkeit vorgestellt, wobei die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung mindestens ein mikrofluidisches Kanalsystem mit mindestens einem Filterzweig und einem mit dem Filterzweig parallel geschalteten Pumpzweig aufweist. Zudem weist die Aufbereitungsvorrichtung mindestens eine in dem Filterzweig angeordnete Filterkammer zum Aufnehmen eines Filterelements auf, wobei der Filterzweig über ein erstes Kanalkreuzungselement mit einem Kanaleinlass und über ein zweites Kanalkreuzungselement mit einem Kanalauslass fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist und wobei die Filterkammer durch zumindest zwei Filterventile vom restlichen Kanalsystem fluidisch abtrennbar ist. Zudem weist die Aufbereitungsvorrichtung eine in dem Pumpzweig angeordnete Pumpeinrichtung zum Herstellen eines fluidischen Flusses im Kanalsystem auf, wobei die Pumpeinrichtung vorzugsweise ein Pumpventil und mindestens eine Pumpkammer umfasst und wobei der Pumpzweig über einen anderen Anschluss des ersten Kanalkreuzungselements als der Filterzweig fluidisch mit dem Kanaleinlass und über einen anderen Anschluss des zweiten Kanalkreuzungselements als der Filterzweig fluidisch mit dem Kanalauslass gekoppelt oder koppelbar ist. Das erste Kanalkreuzungselement und/oder das zweite Kanalkreuzungselement können in bevorzugter Ausgestaltung T-förmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Kanalkreuzungselemente jeweils drei Kanäle in einem gemeinsamen Punkt fluidisch verbinden. Alternativ ist beispielsweise auch eine kreuzförmige Ausgestaltung des ersten und/oder des zweiten Kanalkreuzungselements möglich, also eine fluidische Verbindung von vier Kanälen in einem Punkt oder anders betrachtet zwei Kanäle, die sich in einem Punkt kreuzen und in diesem Punkt fluidisch verbunden sind.
Die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung hat den Vorteil, dass einerseits der Filterzweig bei Öffnung der Filterventile gespült oder für eine Extraktion von Bestandteilen aus einer Probe eingesetzt werden kann, insbesondere über den Kanaleinlass und den Kanalauslass, und dass andererseits der Pumpzweig, insbesondere bei Schließung der Filterventile, ebenfalls gespült werden kann, insbesondere ebenfalls über den Kanaleinlass und den Kanalauslass. Darüber hinaus kann vorteilhafterweise eine gemeinsame Spülung durch den Filterzweig und den parallelen Pumpzweig erfolgen, vorzugsweise unter Einsatz der im Pumpzweig angeordneten Pumpeinrichtung. Von besonderem Vorteil ist dabei auch, dass die gemeinsame Spülung als kreisförmige Spülung durch den Filterzweig und den Pumpzweig über die Kanalkreuzungselemente erfolgen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Extraktion, das heißt eine Anreicherung von in einer Probe vorliegenden Bestandteilen der Probe auf dem Filterelement oder eine Elution, das heißt ein Herablösen von auf dem Filterelement zuvor angereicherten Probenbestandteilen erfolgen.
Die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung kann somit vorteilhafterweise für eine Spülung, insbesondere eine Reinigung des Filterelements, eine Probenaufreinigung oder Extraktion von Bestandteilen aus einer Probe auf dem Filterelement oder eine Elution, also eine Ablösung von Probenbestandteilen vom Filterelement eingesetzt werden, insbesondere für eine Aufreinigung und Elution von Nukleinsäuren auf beziehungsweise von dem Filterelement. Dabei kann die Spülung, insbesondere mit einem Bindepuffer, einem Waschpuffer oder einem Elutionspuffer für die Aufreinigung einer Probe erfolgen. Der vorgestellte Ansatz umfasst somit auch ein Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung. Vorzugsweise kann die Spülung, insbesondere für eine Reinigung oder Waschung des Filterelements wie oben beschrieben über Kanaleinlass, Filterelement und Kanalauslass erfolgen, also vorteilhafterweise über einen kurzen Weg mit geringem potentiellen Totvolumen. Vorzugsweise tritt dabei kein oder - insbesondere bei einer darauffolgenden Elution - möglichst wenig Spülfluid in den Pumpzweig ein, was durch die Verwendung ein oder mehrerer Pumpventile in dem Pumpzweig oder an den Kanalkreuzungselementen zur Abtrennung des Pumpzweigs unterstützt werden kann, wobei der Pumpzweig beispielsweise ein im Vergleich zu dem Pumpzweig nur geringes Volumen aufweist. Die Aufreinigung der Probe an dem Filterelement, das heißt insbesondere eine Extraktion von Bestandteilen aus der Probe an dem Filterelement, kann vorzugsweise ebenfalls über Kanaleinlass, Filterelement und Kanalauslass erfolgen, wobei bevorzugt ebenfalls kein oder möglichst wenig Spülfluid in den Pumpzweig eintritt. Alternativ kann die Probe über eine kreisförmige Spülung ein- oder mehrmals über den Pumpzweig durch den Filterzweig über das Filterelement gespült werden, was eine effiziente Aufreinigung unterstützt. Anschließend kann, wie bereits ausgeführt, eine Spülung des Filterelements mit einem Waschpuffer erfolgen. Die Elution von Probenstandteilen von dem Filterelement, insbesondere von Nukleinsäuren, kann bevorzugt unter Einsatz des Pumpzweigs, vorzugsweise unter Verwendung der Pumpeinrichtung, erfolgen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine weitere Verarbeitung oder Analyse der durch das Filterelement isolierten Probenbestandteile im Pumpzweig erfolgen soll, beispielsweise eine Vervielfältigung von Nukleinsäuren über eine Polymerase- Kettenreaktion oder isothermale Amplifikation, insbesondere in einer oder mehreren der vorzugsweise temperierbaren Pumpeinrichtungen oder Pumpkammern im Pumpzweig.
Beispielsweise kann die Aufbereitungsvorrichtung laterale Abmessungen von 30 x 30 mm2 bis 300 x 300 mm2 aufweisen, bevorzugt 50 x 50 mm2 bis 100 x 100 mm2. Bei der Aufbereitungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Polymerkartusche mit aktiven oder aktivierbaren mikrofluidischen Elementen handeln, das heißt mit mikrofluidischen Ventilen und Pumpkammern, welche jeweils eine Verdrängung von Flüssigkeiten aus einem dafür vorgesehenen Teil von flüssigkeitsführenden Strukturen der Aufbereitungsvorrichtung bewirken können. Beispielsweise können die Ventile und Pumpkammern pneumatisch von einer dafür vorgesehenen Prozessierungseinheit angesteuert werden, sodass eine vollautomatisierte mikrofluidische Prozessierung der Flüssigkeiten in der Polymerkartusche erzielt werden kann. Die Ventile und Pumpkammern können dabei durch wenigstens eine flexible Membran verwirklicht oder abgedeckt sein, welche an weitere Polymerbauteile angrenzen kann, wobei sich in wenigstens einem der weiteren Polymerbauteile flüssigkeitsführende mikrofluidische Strukturen befinden können. Ein mikrofluidisches Ventil kann dabei durch die Abtrennung zweier flüssigkeitsführender Strukturen durch eine pneumatisch bewirkte Auslenkung der Membran in ein dafür vorgesehenes und vorteilhaft ausgeformtes Teilvolumen der flüssigkeitsführenden mikrofluidischen Struktur realisiert sein. Eine mikrofluidische Pumpkammer kann ähnlich einem Ventil ebenfalls auf einer Verdrängung von Flüssigkeiten aus einem dafür vorgesehenen Bereich einer flüssigkeitsführenden Struktur der Aufbereitungsvorrichtung basieren. Im Unterschied zu Ventilen kann eine Pumpkammer zum Beispiel ein größeres Volumen aufweisen als ein Ventil und beispielsweise zur temporären Aufnahme definierter Flüssigkeitsvolumina, insbesondere zur Aufnahme eines signifikanten Teils oder des nahezu gesamten Volumens einer in einem Schritt eines mikrofluidischen Ablaufs zu prozessierenden Flüssigkeit, eingesetzt werden.
Dabei kann beispielsweise eine mikrofluidische Pumpkammer in vorteilhafter Weise in Kombination mit zwei die Pumpkammer umschließenden mikrofluidischen Ventile eingesetzt werden, um eine Pumpeinrichtung zu realisieren, die auch als Pumpeinheit bezeichnet werden kann, welche auf möglichst kompaktem Raum eine Herstellung möglichst großer Flussraten in der mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung ermöglicht. Dies kann beispielsweise erreicht werden durch die Ausbildung der Pumpeinrichtung aus einer Pumpkammer mit einem großen Verdrängungsvolumen, welche zum Pumpen, das heißt zum gerichteten Verdrängen von Flüssigkeiten, eingesetzt wird, und zwei Ventilen mit kleinem Verdrängungsvolumen, welche durch ein geeignetes Aktuationsschema lediglich zur Festlegung und Herstellung der Pumprichtung eingesetzt werden. Vorteilhafterweise kann sich diese Pumpeinrichtung durch ein großes Pumpvolumen pro Pumpschritt auszeichnen, sowie durch einen geringen Platzbedarf zur Realisierung der Pumpeinheit und ein pulsatiles, das heißt ein zeitlich stark veränderliches, volatiles Flussratenprofil.
Um insbesondere ein Pumpen mit einer möglichst konstanten, weniger veränderlichen Flussrate zu bewirken, bietet sich beispielsweise ein peristaltisches Pumpen durch eine peristaltische Aktuation wenigstens dreier gleichartiger aktiver mikrofluidischer Elemente an, wobei die wenigstens drei aktiven mikrofluidischen Elemente ein ähnliches Volumen und nahezu dasselbe Volumen aufweisen können. Ein peristaltisches Pumpen mit drei gleichartigen aktiven mikrofluidischen Elementen kann unabhängig von deren gleichem Verdrängungsvolumen erzielt werden, d. h. insbesondere sowohl durch den Einsatz von mikrofluidischen Ventilen, welche ein kleines Verdrängungsvolumen aufweisen können, oder aber unter dem Einsatz von mikrofluidischen Pumpkammern, welche insbesondere ein größeres Verdrängungsvolumen aufweisen können. Folglich ist in Bezug auf einen peristaltischen Flüssigkeitstransport eine begriffliche Unterscheidung zwischen „Ventil“ und „Pumpkammer“ hinfällig. Die begriffliche Trennung ist lediglich sinnvoll, sofern, wie einer hier vorgestellten Variante der Aufbereitungsvorrichtung, eine multifunktionale Verwendung der mikrofluidischen Elemente vorliegt: Ein mikrofluidisches Element, welches, neben der Herstellung eines peristaltischen Flüssigkeitstransports, vordergründig zur Steuerung des mikrofluidischen Flusses innerhalb der mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung eingesetzt wird, wird im Folgenden daher als mikrofluidisches Ventil bezeichnet. Ein mikrofluidisches Element, welches, neben der Herstellung eines peristaltischen Flüssigkeitstransports, vordergründig zur Erzeugung des mikrofluidischen Flusses sowie zur zwischenzeitlichen Speicherung eines signifikanten Teils des zu prozessierenden Flüssigkeitsvolumen innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung eingesetzt wird, wird im Folgenden daher als mikrofluidische Pumpkammer bezeichnet. Abhängig von den verwendeten Funktionalitäten eines mikrofluidischen Elements erfolgt eine vorteilhafte Ausgestaltung: Ein mikrofluidisches Ventil und insbesondere ein mikrofluidisches Steuerungs- oder Abtrennventil, das heißt ein mikrofluidisches Ventil, welches ausschließlich zur Steuerung des mikrofluidischen Flusses oder zur Abtrennung von flüssigkeitsführenden Strukturen eingesetzt wird und nicht für einen peristaltischen Flüssigkeitstransport, weist daher insbesondere ein möglichst kleines Verdrängungsvolumen auf, und zwar einerseits, um ein möglichst geringes Flüssigkeitsvolumen aufzuweisen, welches in einem mikrofluidischen Ablauf gegebenenfalls gespült werden kann, und andererseits, um eine möglichst kompakte Realisierung der mikrofluidischen Vorrichtung zu erzielen. Eine Pumpkammer, welche insbesondere zum definierten Speichern und Abmessen von Flüssigkeiten verwendet werden kann, weist hingegen insbesondere ein vorgegebenes Verdrängungsvolumen auf, beispielsweise 20pl, welches im Wesentlichen dem zu prozessierenden Flüssigkeitsvolumen oder zumindest einem signifikanten Bruchteil davon entspricht.
In der hier vorgestellten Aufbereitungsvorrichtung ist die im Filterzweig angeordnete Filterkammer ausgebildet, um ein Filterelement, das auch als Filter bezeichnet werden kann, aufzunehmen. Dabei kann die Filterkammer zum Beispiel ein Volumen von 3 pl bis 20 pl, bevorzugt 5 pl bis 10 pl, aufweisen und von zwei Filterventilen mit einem Verdrängungsvolumen von beispielsweise 80 nl bis 1 pl, bevorzugt 100 nl bis 300 nl, umschlossen sein. Auf diese Art ergibt sich vorteilhafterweise ein möglichst geringes Volumen des Filterzweigs, wodurch eine besonders effiziente mikrofluidische Prozessierung, insbesondere im Zusammenhang mit der Aufreinigung einer Probenflüssigkeit, möglich ist.
Bei dem Filterelement kann es sich zum Beispiel um einen zur Extraktion von Nukleinsäuren verwendbaren Silika- Filter handeln. Beispielsweise können bei Einsatz der Aufbereitungsvorrichtung verschiedene Pufferlösungen über das Filterelement gepumpt werden, um beispielsweise mit einem sogenannten Bindepuffer ein Binden der Nukleinsäuren an den Silika- Filter zu ermöglichen, oder um mit einem sogenannten Elutionspuffer ein Herunterlösen der an den Silika- Filter gebundenen Nukleinsäuren zu erreichen, oder um mit einem sogenannten Waschpuffer ein Spülen des Silika- Filters zwischen dem Binden und Herunterlösen der Nukleinsäuren zu bewirken.
Dabei erlaubt die Aufbereitungsvorrichtung vorteilhafterweise eine mikrofluidische Prozessierung für die Aufreinigung einer Probenflüssigkeit unter Verwendung eines Filterelements mit nur geringen Totvolumina. Bei der Probenflüssigkeit kann es sich beispielsweise um wässrige Lösungen mit darin enthaltenem Probenmaterial handeln, insbesondere mit Probenmaterial humanen Ursprungs, gewonnen aus z. B. Körperflüssigkeiten, Abstrichen, Sekreten, Sputum oder Gewebeproben. Die in der Probeflüssigkeit nachzuweisenden Targets sind insbesondere von medizinischer, klinischer, therapeutischer oder diagnostischer Relevanz und können beispielsweise Bakterien, Viren, bestimmte Zellen, wie z. B. zirkulierende Tumorzellen, zellfreie DNA oder andere Biomarker sein. Beispielsweise kann durch eine hier vorgestellte Variante der mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung eine Menge an Waschpuffer, welche unerwünscht in den Elutionspuffer gelangen kann, reduziert werden. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Effizienz bei der Aufreinigung einer Probenflüssigkeit erreicht werden.
Da neben der Beschaffenheit des Filterelements, der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Pufferlösungen und der Beschaffenheit der Probenflüssigkeit sowie der zu extrahierenden Bestandteile auch die Art und Weise der mikrofluidischen Prozessierung eine entscheidende Rolle bei der Extraktionseffizienz spielt, ist die hier vorgestellte Aufbereitungsvorrichtung vorteilhafterweise ausgebildet, um eine besonders effiziente Aufreinigung einer Probe, beziehungsweise einer Probenflüssigkeit, zu ermöglichen. Dazu kann das Kanalsystem, das auch als Kanal bezeichnet werden kann, beispielsweise in Form eines Rings oder einer Schleife ausgeformt sein, wobei die im Kanalsystem angeordnete Filterkammer, die mindestens eine Pumpkammer und die unterschiedlichen Ventile fluidisch mit dem Kanalsystem gekoppelt oder koppelbar sind. Dabei ist das im Kanalsystem angeordnete erste Kanalkreuzungselement vorzugsweise T-förmig ausgeformt, wobei der Kanaleinlass, der Filterzweig und der Pumpzweig jeweils an einem anderen Anschluss des ersten Kanalkreuzungselements angeschlossen und somit miteinander gekoppelt oder koppelbar sind. Auf gleiche Weise ist auch das zweite Kanalkreuzungselement vorzugsweise T-förmig ausgeformt und bildet eine Verbindung zwischen dem Kanalauslass, dem Filterzweig und dem Pumpzweig, die ebenfalls je an einem anderen Anschluss des zweiten Kanalkreuzungselements angeschlossen sind. Die Querschnittsfläche eines mikrofluidischen Kanals im Kanalsystem sowie die Querschnittsfläche der Anbindungen an das Kanalsystem können beispielsweise 0,2 x 0,2 mm2 bis 2 x 2 mm2, bevorzugt 0,3 x 0,3 mm2 bis 0,8 x 0,8 mm2 betragen.
Die Aufbereitungsvorrichtung kann vorteilhafterweise kostengünstig aus Polymer- Materialien wie beispielsweise Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP, COC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) hergestellt werden, zum Beispiel durch die Verwendung von Hochdurchsatztechniken wie Spritzgießen, Thermoformen oder Stanzen, wobei sie beispielsweise mittels Laserdurchstrahlschweißen verfügt werden kann. Der Flüssigkeitstransport innerhalb der mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung kann auf besonders einfache Weise durch das Auslenken einer flexiblen Polymer- Membran in flüssigkeitsführende Ausnehmungen eines rigiden Polymerbauteils erzielt werden, sodass eine kontrollierte Verdrängung von Flüssigkeiten innerhalb der mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung, insbesondere durch das Applizieren von unterschiedlichen Druckniveaus an eine pneumatische Schnittstelle der Aufbereitungsvorrichtung, erreicht werden kann. Als flexible Membran sind zum Beispiel thermoplastische Elastomere (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol- Blockcopolymer (TPS) einsetzbar. Eine Mikrostrukturierung der flexiblen Membran kann beispielsweise durch Stanzen erfolgen. Bei den in der Aufbereitungsvorrichtung einsetzbaren Flüssigkeiten kann es sich beispielsweise um wässrige Lösungen oder Pufferlösungen handeln, sowie fluorierte Kohlenwasserstoffe wie 3M Fluorinert beispielsweise für eine Versiegelung von Mikrokavitäten und auch Öle wie Mineral-, Paraffin- oder Silikonöle beispielsweise für die Herstellung von Mehrphasensystemen in der Aufbereitungsvorrichtung. Die Flüssigkeiten können insbesondere während der Herstellung der Aufbereitungsvorrichtung in die Aufbereitungsvorrichtung eingebracht werden beispielsweise abgefüllt und eingeschlossen in Reagenzriegel, welche beispielsweise eine langzeitstabile Lagerung der Flüssigkeiten in der Aufbereitungsvorrichtung erlauben.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Pumpeinrichtung zwei, insbesondere drei, benachbart zueinander in einer Reihe angeordnete oder geschaltete Pumpkammern umfassen. Beispielsweise kann es sich um drei gleichartige, in Reihe auf dem mikrofluidischen Kanal angeordnete Pumpkammern handeln, die auch als Kammern bezeichnet werden können. Die Pumpkammern können zum Beispiel für die Herstellung eines Flusses in dem Kanalsystem und insbesondere durch die Filterkammer hindurch verwendbar und jeweils zum Aufnehmen eines definierten Flüssigkeitsvolumens ausgebildet sein. Dabei können die Pumpkammern durch zwei, die beiden äußeren der drei Pumpkammern umgebenden, Pumpventile von dem Kanalsystem abtrennbar sein.
Vorteilhafterweise kann so ein definiertes Flüssigkeitsvolumen innerhalb der drei Pumpkammern, inklusive der Verbindungskanäle zwischen den Kammern, hin und her gepumpt werden, ohne dass ein Flüssigkeitsaustausch mit dem übrigen Teil des mikrofluidischen Netzwerks erfolgt. Ferner kann durch eine geeignet gesteuerte Aktuation der zwei bzw. drei Pumpkammern ein Flüssigkeitstransport durch das mikrofluidische Kanalsystem und insbesondere durch die Filterkammer hindurch erzielt werden, wobei das in einem Pumpschritt transportiere Flüssigkeitsvolumen dem Verdrängungsvolumen einer Pumpkammer entsprechen kann. Abhängig von dem gewählten Aktuationsschema kann der Flüssigkeitstransport in dem mikrofluidischen Kanalsystem unidirektional oder bidirektional erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Pumpeinrichtung eine weitere Pumpkammer umfassen, wobei die weitere Pumpkammer durch mindestens ein Pumpventil von den in Reihe geschalteten Pumpkammern abgetrennt oder abtrennbar ist. Beispielsweise kann die weitere Pumpkammer mit den übrigen Pumpkammern der Pumpeinrichtung in Reihe geschaltet sein, wobei die weitere Pumpkammer zum Beispiel durch zwei mikrofluidische Pumpventile vom Kanalsystem abtrennbar sein kann. Vorteilhafterweise kann die weitere Pumpkammer in Kombination mit den anderen Pumpkammern für einen optimierten Flüssigkeitstransport in dem mikrofluidischen Kanalsystem eingesetzt werden, wobei das in einem Pumpschritt transportiere Flüssigkeitsvolumen dem Verdrängungsvolumen zweier Pumpkammern entsprechen kann. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Pumpen im Rahmen eines Elutionsschritts mittels vier Pumpkammern erzielt werden, wobei das prozessierte Flüssigkeitsvolumen an Elutionspuffer im Wesentlichen dem Verdrängungsvolumen zweier Pumpkammern entsprechen kann. Im Anschluss an die Elution kann dann beispielsweise, nach dem Lösen eines Reagenzes für die Durchführung einer Polymerase- Kettenreaktion mit einem Eluat, eine Amplifikationsreaktion in drei durch zwei Ventile abgetrennten und jeweils geeignet temperierten Pumpkammern durchgeführt werden, wobei das bei der Polymerase- Kettenreaktion eingesetzte Flüssigkeitsvolumen im Wesentlichen dem Verdrängungsvolumen einer Pumpkammer entsprechen kann. Anschließend kann wiederum eine Verdünnung und oder Hinzugabe weiterer Reagenzien ermöglicht werden, sodass das Flüssigkeitsvolumen wieder im Wesentlichen dem Verdrängungsvolumen zweier Pumpkammern entsprechen kann. Insgesamt hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass eine hohe Flexibilität bei der Durchführung mikrofluidischer Abläufe, beispielsweise für die Durchführung molekulardiagnostischer Tests, erreicht werden kann.
Vorteilhafterweise kann eine Bereitstellung unterschiedlicher Pumpraten und Flussratenprofile die Effizienz der Aufreinigung durch eine Optimierung der Pumpraten verbessert werden, insbesondere der Pumpraten, welche für das Prozessieren des Filterelements bzw. eines Flüssigkeitsstroms durch das Filterelement eingesetzt werden. Insbesondere kann abhängig von dem eingesetzte Filtermaterial und der Zusammensetzung der Pufferlösungen ein optimiertes Pumpprotokoll für die mikrofluidische Prozessierung bestimmt und verwendet werden. Durch eine besonders geringe Flussrate können beispielsweise Scherkräfte, welche auf in der Probenflüssigkeit vorhandene Bestandteile wirken, reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede der in Reihe geschalteten Pumpkammern und die weitere Pumpkammer ein im Wesentlichen gleich großes Volumen aufweisen. Beispielsweise kann ein Verdrängungsvolumen einer Pumpkammer 10 pl bis 50 pl, insbesondere 15 pl bis 25 pl, groß sein. Dabei können die Pumpkammern zum Beispiel innerhalb eines Toleranzbereichs von 5% ein je gleich großes Volumen aufweisen. Im Unterschied zu den Pumpkammern können die Pumpventile der Pumpeinrichtung zum Beispiel ein Verdrängungsvolumen von 200 nl bis 3 pl, insbesondere 500 nl bis 2 pl, aufweisen. Vorteilhafterweise kann durch eine geeignet gesteuerte Aktuation der Pumpkammern ein peristaltischer Pumpvorgang begünstigt werden, wobei das in einem Pumpschritt transportiere Flüssigkeitsvolumen dem Verdrängungsvolumen einer Pumpkammer entsprechen kann.
Vorteilhafterweise erlaubt die Aufbereitungsvorrichtung eine mikrofluidische Prozessierung variabler Flüssigkeitsvolumina. Durch eine Kombination aus Pumpventilen und Pumpkammern, also mikrofluidischen Elementen für die Erzeugung eines Flusses, welche wenigstens zwei voneinander verschiedene Verdrängungsvolumina aufweisen, ist beispielsweise sowohl ein besonders präziser Flüssigkeitstransport besonders kleiner und präzise definierbarer Volumina mit einer kleinen Flussrate, unter Verwendung der Pumpventile, als auch ein besonders schneller Flüssigkeitstransport großer Volumina mit einer größeren Flussrate, unter Verwendung wenigstens einer Pumpkammer, möglich. Auf diese Weise ist die hier vorgestellte Aufbereitungsvorrichtung vorteilhafterweise besonders vielseitig und universell einsetzbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können zumindest zwei der in Reihe geschalteten Pumpkammern je voneinander unabhängig temperierbar ausgebildet sein. Dabei können die Pumpkammern zum Beispiel mittels einer Temperiereinrichtung im Wesentlichen unabhängig voneinander auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden. Beispielsweise kann die erste von drei in einer Reihe angeordneten Pumpkammern auf eine Temperatur zwischen ca. 94 bis 96°C, beispielsweise 95°C, die zweite Pumpkammer auf eine Temperatur zwischen 68 bis 72°C, beispielsweise 70°C, und die dritte Pumpkammer auf eine Temperatur zwischen 55 bis 65°C, beispielsweise 60°C gebracht werden. Vorteilhafterweise kann dadurch die Durchführung beispielsweise einer Polymerase- Kettenreaktion in einem durch Pumpventile abgegrenzten und im Wesentlichen durch die Größe der Pumpkammern vorgegebenen Flüssigkeitsvolumen durch ein hin und her Pumpen zwischen den unterschiedlich temperierten Pumpkammern erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Aufbereitungsvorrichtung ein fluidisch mit dem Pumpzweig gekoppeltes oder koppelbares Kanalsystemerweiterungsmodul aufweisen, wobei das Kanalsystemerweiterungsmodul mindestens eine Vorlagerungskammer zum Vorlagern von Reagenzien und zusätzlich oder alternativ mindestens eine Auswertekammer mit Auswertekavitäten zum Auswerten von Probenbestandteilen einer Probenflüssigkeit umfassen kann. Bei dem Einsatz eines externen Analysegerätes zur Analyse der Auswertekavitäten kann unter Verwendung der hier vorgestellten Aufbereitungsvorrichtung ein Auswertesignal bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Vorlagerungskammer für eine Vorlagerung von Trockenreagenzien verwendbar sein. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Lyophilisat, welches auch als Bead bezeichnet werden kann und welches für die Herstellung einer Reaktionsflüssigkeit oder eines Reaktionsmixes, beispielsweise für die Durchführung einer Polymerase- Kettenreaktion, vorgesehen sein kann, in dieser Vorlagerungskammer vorgelagert werden. Beispielsweise kann die Trockenreagenz im Anschluss an eine Aufreinigung einer Probe von wenigstens einem Teils eines gewonnenen Eluats gelöst werden, um eine Reaktionsflüssigkeit herzustellen, die mittels des Filterelements aufgereinigtes Probenmaterial enthält und dann für eine Amplifikation von insbesondere Bestandteilen des Probenmaterials, wie beispielsweise bestimmten DNA-Sequenzen, zum Beispiel unter Verwendung der zuvor beschriebenen Anordnung aus Pumpkammern, eingesetzt werden kann, um beispielsweise im Anschluss einen Fluoreszenz- oder Chemilumineszenz-basierten Nachweis dieser Bestandteile des Probenmaterials zu ermöglichen. Dabei kann die Auswertekammer zum Beispiel einen Chip mit einem Array aus Mikrokavitäten umfassen sowie eine Flusszelle zur mikrofluidischen Prozessierung des Chips mit den Mikrokavitäten ausbilden. Der sogenannte Array-Chip kann beispielsweise im Wesentlichen aus Silizium bestehen, hergestellt aus Siliziumplatten („Silizium-Wafern“) durch lithografische Verfahren, Ätzen, Beschichten und Vereinzeln. In den Mikrokavitäten können beispielsweise Target-spezifische Reagenzien vorgelagert sein, welche einen Nachweis unterschiedlicher Targets in einer Flüssigkeit beispielsweise durch geometrisches Multiplexing ermöglichen können, wobei die Reagenzien zum Beispiel mittels eines Feindispensierungssystems in die Mikrokavitäten eingebracht werden können. Vorteilhafterweise kann demnach unter Verwendung des Kanalsystemerweiterungsmoduls eine Probenflüssigkeit auf eine Vielzahl verschiedener Merkmale hin untersucht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorlagerungskammer mittels eines mit einem Vorlagerventil verschließbaren Kanalanschlusselements mit dem Pumpzweig fluidisch gekoppelt oder koppelbar sein und die Auswertekammer kann mittels eines mit einem Auswerteventil verschließbaren weiteren Kanalanschlusselements mit dem Pumpzweig fluidisch gekoppelt oder koppelbar sein. Beispielsweise können das Vorlagerventil und das Auswerteventil verschlossen werden, während eine Probenflüssigkeit innerhalb des Pumpzweigs prozessiert wird. Vorteilhafterweise können dadurch Abläufe auf ein für den Ablauf notwendigen Bereich des Kanalsystems beschränkt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Pumpeinrichtung eine einzige Pumpkammer und zumindest drei Pumpventile umfassen. Beispielsweise können die drei Pumpventile unabhängig voneinander aktuierbar sein und durch eine Aktuation nach einem peristaltischen Schema für die Herstellung eines Flusses in dem mikrofluidischen Kanalsystem und insbesondere der Filterkammer verwendet werden können. Vorteilhafterweise kann so die Pumpeinrichtung besonders platzsparend ausgeformt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen dem Kanaleinlass und dem ersten Kanalkreuzungselement ein Einlassventil und zusätzlich oder alternativ zwischen dem Kanalauslass und dem zweiten Kanalkreuzungselement ein Auslassventil angeordnet sein. Beispielsweise kann durch die Verwendung von sowohl einem Einlassventil als auch einem Auslassventil ein Abtrennen des Kanaleinlasses und des Kanalauslasses von dem, beispielsweise schleifenförmig ausgebildeten, mikrofluidischen Kanalsystem, einschließlich der Filterkammer mit dem Filterelement, von einem übrigen mikrofluidischen Netzwerk ermöglicht werden. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise ein im-Kreis-Pumpen innerhalb des mikrofluidischen Kanalsystems über die Filterkammer hinweg erzielt werden, ohne dass ein Flüssigkeitsaustausch mit dem übrigen Teil des mikrofluidischen Netzwerks erfolgt.
Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Variante einer zuvor beschriebenen mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung vorgestellt, wie auch oben beschrieben. Das Verfahren umfasst dabei einen Schritt des Einbringens einer Probenflüssigkeit in die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung, einen Schritt des Extrahierens oder Aufreinigens von in der Probenflüssigkeit vorliegenden Probenbestandteilen durch ein Filterelement und einen Schritt des Eluierens von Probenbestandteilen von dem Filterelement. Unter einem Eluieren kann ein Ablösen von Probenbestandteilen von dem Filterelement verstanden werden. Mit einer solchen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes lassen sich die vorstehend genannten Vorteile technisch einfach und kostengünstig realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Lysierens von Bestandteilen der Probenflüssigkeit im Anschluss an den Schritt des Einbringens und vor dem Schritt des Extrahierens aufweisen und zusätzlich oder alternativ einen Schritt des Waschens des Filterelements und zusätzlich oder alternativ der Filterkammer im Anschluss an den Schritt des Extrahierens und vor dem Schritt des Eluierens. Durch eine solche Ausführungsform kann eine deutliche Verbesserung der Analyse der Probenflüssigkeit erreicht werden.
Des Weiteren kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Bereitstellens einer Reaktionsflüssigkeit mittels Lösens eines Reagenzes unter Verwendung der Probenbestandteile im Anschluss an den Schritt des Eluierens umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Durchführens einer Amplifikationsreaktion aufweisen und zusätzlich oder alternativ einen zusätzlichen Schritt des Aliquotierens der Reaktionsflüssigkeit und zusätzlich oder alternativ einen zusätzlichen Schritt des Durchführens einer Nachweisreaktion und zusätzlich oder alternativ einen zusätzlichen Schritt des Auswertens eines Reaktionsresultats. Auch durch eine solche Ausführungsform kann eine deutliche Verbesserung der Analyse der Probenflüssigkeit erreicht werden.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen oder Einheiten durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programm produkt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aufbereitungsvorrichtung; Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Aufbereitungsvorrichtung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aufbereitungsvorrichtung mit einem Kanalsystemerweiterungsmodul;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Aufbereitungsvorrichtung mit einem Kanalsystemerweiterungsmodul;
Fig. 5A ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung;
Fig. 5B ein Blockschaltbild eines Steuergerätes zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung gemäß einer hier vorgestellten Variante;
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung mit einem zusätzlichen Schritt des Lysierens und einem zusätzlichen Schritt des Waschens; und
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung mit einem Kanalsystemerweiterungsmodul.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aufbereitungsvorrichtung 100. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufbereitungsvorrichtung 100 mit lateralen Abmessungen von 45 x 25 mm2 ausgeführt. Die Aufbereitungsvorrichtung 100 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein mikrofluidisches Kanalsystem 105 zum Aufnehmen einer Probenflüssigkeit, das heißt einer Flüssigkeit mit Bestandteilen einer Probe. Die Querschnittsfläche des Kanalsystems 105 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 0,4 x 0,6 mm2. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Kanalsystem mit einer Querschnittsfläche von 0,8 x 0,8 mm2 ausgeformt. Die Probenflüssigkeit wird in diesem Ausführungsbeispiel über einen Kanaleinlass 110 in die Aufbereitungsvorrichtung 100 eingebracht, wobei der Kanaleinlass 110 eine Anbindung an ein in dieser Figur nicht gezeigtes mikrofluidisches Netzwerk bildet. Dabei ist der Kanaleinlass 110 mittels eines Einlassventils 115 von den übrigen Bereichen der Aufbereitungsvorrichtung 100 abtrennbar. Das Einlassventil 115 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Kanaleinlass 110 und einem ersten Kanalkreuzungselement 120 angeordnet, wobei das erste Kanalkreuzungselement 120 vorzugsweise T-förmig ausgeformt ist. Während der Kanaleinlass 110 über das Abtrennventil 115 fluidisch mit einem Anschluss des ersten Kanalkreuzungselements 120 gekoppelt ist, ist ein anderer Anschluss des ersten Kanalkreuzungselement 120 wiederum fluidisch mit einem Filterzweig 125 der Aufbereitungsvorrichtung 100 gekoppelt. Der Filterzweig 125 umfasst eine Filterkammer 130, in der in diesem Ausführungsbeispiel ein Filterelement 135 angeordnet ist, wobei die Filterkammer 130 zum Extrahieren von Probenbestandteilen, die auch als Bestandteile einer Probe bezeichnet werden können, verwendbar ist. Zwischen der Filterkammer 130 und dem ersten Kanalkreuzungselement 125 ist ein erstes Filterventil 140a angeordnet. Zudem ist ein zweites Filterventil 140b zwischen der Filterkammer 130 und einem zweiten Kanalkreuzungselement 145 angeordnet. Mittels des ersten Filterventils 140a und des zweiten Filterventils 140b ist die Filterkammer 130 von den übrigen Bereichen der Aufbereitungsvorrichtung 100 abtrennbar. Mit anderen Worten sind zwei Filterventile 140a, 140b, die auch als mikrofluidische Schaltventile bezeichnet werden können, auf dem mikrofluidischen Kanal in möglichst unmittelbarer Umgebung der Filterkammer 130 auf beiden Seiten der Filterkammer 130 angeordnet, sodass durch ein Schließen der beiden Filterventile 140a, 140b die Filterkammer 130 von dem Kanal abtrennbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Filterventile 140a, 140b ein besonders geringes Volumen auf, um das um die Filterkammer 130 herum befindliche Volumen zu minimieren. Dabei sind die Filterventile 140a, 140b lediglich beispielhaft gleichgeschaltet, sodass sie gemeinsam über genau einen pneumatischen Steuerkanal aktuierbar sind.
Die Aufbereitungsvorrichtung 100 zeichnet sich demnach durch eine besonders vorteilhafte Anordnung und Ausgestaltung der mikrofluidischen Elemente für eine Filter-basierte Aufreinigung einer Probenflüssigkeit aus, insbesondere durch die Realisierung eines, insbesondere schleifenförmig ausgebildeten, mikrofluidischen Kanalsystems 105, welches eine Filterkammer 130 mit einem Filterelement 135 enthält, wobei die Filterkammer 130 durch zwei mikrofluidische Filterventile 140a, 140b von dem übrigen Teil des mikrofluidischen Kanalsystems 105 fluiddicht abgetrennt werden kann. Dabei werden die zwei mikrofluidischen Filterventile 140a, 140b insbesondere gemeinsam aktuiert, um eine besonders einfache und kompakt realisierbare pneumatische Ansteuerung zu erreichen. Die Aufbereitungsvorrichtung 100 weist zudem zwei vorzugsweise T-förmige Kanalkreuzungselemente 120, 145 auf, welche in der möglichst unmittelbaren Umgebung der beiden die Filterkammer 130 umschließenden Filterventile 140a, 140b, die auch als Abtrennventile bezeichnet werden können, angeordnet sind und genau zwei mikrofluidische Anbindungen an das mikrofluidische Kanalsystem 105 bilden, sodass insbesondere bei einem Schließen der die Filterkammer 130 umgebenden Abtrennventile 140a, 140b ein Spülen des übrigen Teils des mikrofluidischen Kanalsystems 105 über die Anbindungen ermöglicht wird.
Bei geöffnetem zweiten Filterventil 140b ist die Filterkammer 130 über einen Anschluss des T-förmig ausgeformten zweiten Kanalkreuzungselements 145 fluidisch mit einem an einem anderen Anschluss des zweiten Kanalkreuzungselements 145 angeschlossenen Kanalauslasses 150 gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel bildet der Kanalauslass 150 eine Anbindung an eine in der Figur nicht dargestellte Auffangkammer, wobei der Kanalauslasses 150 zum Ausbringen der Probenflüssigkeit nach der Extraktion von Bestandteilen durch das Filterelement 135 nutzbar ist. Dabei ist der Kanalauslass 150 kongruent zu dem Kanaleinlass 110 mit einem Auslassventil 152 von den übrigen Bereichen der Aufbereitungsvorrichtung 100 abtrennbar. Das erste Kanalkreuzungselement 120 und das zweite Kanalkreuzungselement 145, die beide auch als Kanalkreuzungen bezeichnet werden können, umschließen dementsprechend die Filterkammer 130 und die beiden um die Filterkammer 130 angeordneten Filterventile 140a, 140b, die auch als Schaltventile bezeichnet werden können. Auf diese Art ergibt sich ein möglichst geringes Volumen des Filterzweigs 125, wodurch eine besonders effiziente mikrofluidische Prozessierung, insbesondere im Zusammenhang mit der Aufreinigung einer Probenflüssigkeit, möglich ist.
Zu dem Filterzweig 125 ist ein Pumpzweig 155 mit einer Pumpeinrichtung 157 parallel geschaltet, wobei der Pumpzweig 155 über einen anderen Anschluss des ersten Kanalkreuzungselements 120 als der Filterzweig 125 fluidisch mit dem Kanaleinlass 110 und über einen anderen Anschluss des zweiten Kanalkreuzungselements 145 als der Filterzweig 125 fluidisch mit dem Kanalauslass 150 gekoppelt ist. In diesem Ausführungsbeispiel bilden der Filterzweig 125 und der Pumpzweig 155 über die Verbindung durch das Kanalsystem 105 ein schleifenförmig schließbares System. In dieser Ausführungsform weist der Pumpzweig 155 einerseits zumindest zwei, hier genau drei Pumpkammern 160a, 160b, 160c auf, die direkt aneinander angrenzen. Die Pumpkammern 160a, 160b, 160c sind in diesem Ausführungsbeispiel in Reihe entlang des mikrofluidischen Kanalsystems 105 angeordnet und somit in Reihe geschaltet und weisen nahezu dasselbe Volumen auf. Lediglich beispielhaft sind sie über zwei die drei Pumpkammern 160a, 160b, 160c umschließenden mikrofluidische Pumpventile 165a, 165b fluidisch von den übrigen Bereichen der Aufbereitungsvorrichtung 100 abtrennbar.
Die reihenförmige Anordnung aus Pumpkammern 160a, 160b, 160c und Pumpventilen 165a, 165b an dem schleifenförmig ausgeformten mikrofluidischen Kanalsystem 105, welche für einen Transport von Flüssigkeiten durch die Filterkammer 130 und innerhalb des mikrofluidischen Kanalsystems 105 einsetzbar sind, ermöglichen einen peristaltischen Pumpvorgang. Dabei sind die Pumpkammern 160a, 160b, 160c ferner in diesem Ausführungsbeispiel einzeln, das heißt im Wesentlichen unabhängig voneinander, temperierbar. Auf diese Weise können die drei Pumpkammern 160a, 160b, 160c zusätzlich zu der kontrollierten Aufnahme von Probenflüssigkeit und der Erzeugung eines mikrofluidischen Flusses im Kanalsystem 105 insbesondere im Rahmen einer Aufreinigung einer Probenflüssigkeit unter Verwendung der Filterkammer 130 mit dem Filterelement 135 für beispielsweise die Durchführung einer Polymerase- Kettenreaktion eingesetzt werden. Im Anschluss an eine Aufreinigung der Probenflüssigkeit ermöglichen die Pumpkammern 160a, 160b, 160c so ebenfalls eine Amplifikation von aufgereinigtem Probenmaterial in der Aufbereitungsvorrichtung 100.
Andererseits weist diese Ausführungsform eine weitere Pumpkammer 170 auf, wobei jede der in Reihe geschalteten Pumpkammern 160a, 160b, 160c und die weitere Pumpkammer 170 ein im Wesentlichen gleich großes Volumen aufweisen, sodass insgesamt vier gleichartige Pumpkammern 160a, 160b, 160c, 170 vorliegen. Auf diese Weise ist eine besonders flexible Prozessierung von Flüssigkeitsvolumina möglich, welche im Wesentlichen dem Verdrängungsvolumen von bis zu zwei der Pumpkammern 160a, 160b, 160c, 170 entsprechen, sodass in vorteilhafter Weise eine Durchführung verschiedener Schritte eines Testablaufs innerhalb der Aufbereitungsvorrichtung 100 erreichbar ist. Auch die weitere Pumpkammer 170 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch zwei weitere Pumpventile 175a, 175b von den übrigen Bereichen der Aufbereitungsvorrichtung 100 abtrennbar. Dabei sind sowohl die Pumpventile 165a, 165b als auch die weiteren Pumpventile 175a, 175b neben der Funktion des Abtrennens auch für einen Einsatz als peristaltische Pumpventile konzeptioniert, weshalb sie ein größeres Verdrängungsvolumen aufweisen als das vor allem zum Abtrennen der Filterkammer 130 von den übrigen Bereichen der Aufbereitungsvorrichtung 100 ausgebildete erste Filterventil 140a und das zweite Filterventil 140b.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Aufbereitungsvorrichtung 100. Dabei kann es sich um die in Figur 1 beschriebene Aufbereitungsvorrichtung handeln.
In diesem Ausführungsbeispiel basiert die Aufbereitungsvorrichtung 100 auf einer flexiblen, mikrostrukturierten Polymermembran, welche mit zwei mikrostrukturierten Polymer-Bauteilen mittels Laserschweißen, welches auch als Laserdurchstrahlschweißen bezeichnet werden kann, insbesondere teilflächig verschweißt worden ist. In den rigiden Polymer-Bauteilen befinden sich insbesondere flüssigkeitsführende Ausnehmungen, welche die mikrofluidischen Kanäle des Kanalsystems 105, die Pumpkammern 160a, 160b, 160c, die weitere Pumpkammer 170, die Pumpventile 165a, 165b, die weiteren Pumpventile 175a, 175b, die Filterventile 140a, 140b, das Einlassventil 115 und das Auslassventil 152 verwirklichen. Ferner verfügt wenigstens eines der Bauteile insbesondere über pneumatische Kanäle 210, welche für eine Ansteuerung der aktiven mikrofluidischen Elemente, insbesondere der Pumpkammern und der Ventile, eingesetzt werden. Die Ansteuerung der mikrofluidischen Elemente erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch ein druckbasiertes lokal definiertes Auslenken der elastischen Membran in die die Ventile und Pumpkammern bildenden Ausnehmungen der Polymer-Bauteile. Für die Ansteuerung der mikrofluidischen Elemente werden wenigstens zwei Druckniveaus verwendet. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung und Bereitstellung der Druckniveaus durch eine externe Prozessierungseinheit, welche eine pneumatische Schnittstelle 205 zu der Aufbereitungsvorrichtung 100 aufweist. Lediglich beispielhaft ist die Schnittstelle 205 in dieser Figur am linken Rand der Abbildung angeordnet. Die Pneumatik- Kanäle 210, welche zur Ansteuerung der mikrofluidischen Elemente eingesetzt werden, sind in dieser Figur rot dargestellt. Die mikrofluidischen Kanäle des Kanalsystems 105 und die Filterkammer 130 sind in blau dargestellt, die pneumatisch ansteuerbaren mikrofluidischen Elemente sind wie die Pneumatik- Kanäle 210 in Rot visualisiert.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aufbereitungsvorrichtung 100 mit einem Kanalsystemerweiterungsmodul 300. Dabei kann es sich um die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungsvorrichtung handeln.
In dieser Ausführungsform sind die in einer Reihe angeordneten Pumpkammern 160a, 160b, 160c mittels einer nicht dargestellten Temperierungseinrichtung unabhängig voneinander temperierbar. Lediglich beispielhaft wird die erste der drei Pumpkammern 160a auf eine Temperatur von 95°C, die zweite Pumpkammer 160b auf eine Temperatur von 70°C und die dritte der drei Pumpkammern 160c auf eine Temperatur von 60°C gebracht. Auf diese Weise wird die Durchführung einer Polymerase- Kettenreaktion innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens, welches zwischen den drei Pumpkammern 160a, 160b, 160c periodisch hin und her gepumpt wird, ermöglicht. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel die Reihe aus den Pumpkammern 160a, 160b, 160c durch zwei mikrofluidische Pumpventile 165a, 165b von dem mikrofluidischen Kanalsystem 105 abtrennbar. Auf diese Weise ist eine besonders effizientes hin und her Pumpen sowie Temperieren des Flüssigkeits- Plugs in den drei Pumpkammern 160a, 160b, 160c möglich, wobei Flüssigkeitsverluste durch die Abtrennung der Einheit aus drei Pumpkammern 160a, 160b, 160c mittels der mikrofluidischen Pumpventile 165a, 165b verhindert werden und die an die Pumpkammern 160a, 160b, 160c angrenzenden Totvolumina bei der thermischen und mikrofluidischen Prozessierung des Flüssigkeitsvolumens minimiert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Pumpzweig 155 über ein zusätzliches vorzugsweises T-förmiges Kanalkreuzungselement 305 fluidisch mit einer Vorlagerungskammer 310 gekoppelt. Lediglich beispielhaft wird die Vorlagerungskammer 310 zum Vorlagern von gefriergetrockneten Reagenzien verwendet. Zwischen dem zusätzlichen Kanalkreuzungselement 305 und der Vorlagerungskammer 310 ist an einem Kanalanschlusselement 315 ein Vorlagerventil 320 angeordnet, wobei das Vorlagerventil 320 ausgebildet ist, um die Vorlagerungskammer 310 von dem Pumpzweig 155 abzutrennen. Somit stellt das Kanalanschlusselement 315 in diesem Ausführungsbeispiel eine mit dem Vorlagerventil 320 verschließbare Verbindung zwischen dem Pumpzweig 155 und der mikrofluidischen Vorlagerungskammer 310 her, welche wenigstens ein vorgelagertes Reagenz 318 enthält, insbesondere ein sogenanntes Bead, welches auch als Lyophilisat bezeichnet werden kann und welches für die Bereitstellung einer Reaktionsflüssigkeit einsetzbar ist unter Verwendung eines Eluats, das heißt der Flüssigkeit, welche aus einer Aufreinigung der Probenflüssigkeit unter Einsatz der Aufbereitungsvorrichtung 100 und des in Figur 1 beschriebenen Filterelements 135 gewonnen wird. Mit anderen Worten erfolgt das Bereitstellen einer Reaktionsflüssigkeit, die auch als Reaktionsmix bezeichnet werden kann, durch das Lösen eines Beads in der mikrofluidischen Vorlagerungskammer 310 mittels des aus einer Aufreinigung zuvor gewonnenen Eluats. Die Vorlagerungskammer 310 ist lediglich beispielhaft pneumatisch aktuierbar und damit vergleichbar zu den übrigen Pumpkammern 160a, 160b, 160c um ebenfalls eine Pumpwirkung mit der Vorlagerungskammer 310 bereitzustellen.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das mikrofluidische Kanalsystem 105 zwischen dem zusätzlichen Kanalkreuzungselement 305 und dem weiteren Pumpventil 175a ein weiteres vorzugsweise T-förmiges Kanalkreuzungselement 325 mit einem weiterführenden weiteren Kanalanschlusselement 327 auf, über das der Pumpzweig 155 fluidisch mit einer Auswertekammer 330 gekoppelt ist. Dabei ist das weitere Kanalanschlusselement 327 mit einem Auswerteventil 335 verschließbar. Die Auswertekammer 330, die auch als Array- Kammer bezeichnet werden kann, umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Chip mit einem Array aus Auswertekavitäten 345, die auch als Mikrokavitäten bezeichnet werden können. In den Auswertekavitäten 345 sind lediglich beispielhaft Targetspezifische Reagenzien vorgelagert, welche einen Nachweis unterschiedlicher Targets in der Flüssigkeit durch geometrisches Multiplexing ermöglichen. Auf dieses Weise kann unter Verwendung des Kanalsystemerweiterungsmoduls 300 eine Probe auf eine Vielzahl verschiedener Merkmale hin untersucht werden. Die mikrofluidischen Ventile 347a, 347b, welche insbesondere für eine mikrofluidische Prozessierung der Auswertekammer 330 mittels peristaltischen Pumpens vorgesehen sind, weisen lediglich beispielhaft ein dafür geeignet ausgelegtes Verdrängungsvolumen auf. In diesem Ausführungsbeispiel übertrifft das Verdrängungsvolumen der mikrofluidischen Ventile 347a, 347b das Volumen der Pumpventile 165a, 165b welche für ein peristaltisches Pumpen im Pumpzweig 155 eingesetzt werden. Auf diese Weise lässt sich mit den Ventilen 347a, 347b eine höhere Flussrate erzeugen, wohingegen die Pumpventile 165a, 165b einen geringeren Platzbedarf aufweisen und daher eine möglichst kompakte Realisierung der Vorrichtung gestatten. Ferner umfasst dieses Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Zugang zu einer weiteren Vorlagerungskammer 350, die auch als Bead-Kammer bezeichnet werden kann, in der sich ein weiteres gefriergetrocknetes Reagenz 358 befindet, welches lediglich beispielhaft zur Herstellung einer Reaktionsflüssigkeit für den multiplexen Nachweis in dem Chip mit den Auswertekavitäten 345 einsetzbar ist. Mit anderen Worten weist dieses Ausführungsbeispiel zusätzliche mikrofluidische Elemente auf, welche insbesondere für eine weitergehende Probenanalyse des mittels der Aufbereitungsvorrichtung 100 aufgereinigten Probenmaterials genutzt werden können. Neben der Integration von weiteren Kammern für eine Vorlagerung von weiteren Trockenreagenzien, beispielsweise Bestandteilen für die Durchführung weiterer Nachweis- und/oder Amplifikationsreaktionen, verfügt die Aufbereitungsvorrichtung 100 in diesem Ausführungsbeispiel über eine Einheit für die Aliquotierung beziehungsweise Partitionierung der prozessierten Probenflüssigkeit. In besonders vorteilhafter Weise können durch eine Vorlagerung von weiteren Trockenreagenzien in den Auswertekavitäten 345 für die Aliquotierung in den einzelnen Aliquots voneinander unabhängige, verschiedene Nachweisreaktionen zur Adressierung unterschiedlicher Targets in der Probenflüssigkeit durchgeführt werden. Auf diese Weise, welche auch als geometrisches Multiplexing bezeichnet werden kann, kann eine Probenflüssigkeit auf das Vorhandensein einer Vielzahl unterschiedlicher Merkmale hin untersucht werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel erlaubt der Chip mit den Auswertekavitäten 345 die mikrofluidische Erzeugung einer besonders hohen Anzahl an Aliquots der prozessierten Probenflüssigkeit, insbesondere mehr als 1000 Partitionen. Auf diese Weise wird eine digitale Probenanalyse ermöglicht. Dadurch kann etwa eine Kopienanzahl eines initial in einer Probenflüssigkeit vorgelegenen Targets mit absoluter Genauigkeit quantifiziert werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Aufbereitungsvorrichtung 100 mit einem Kanalsystemerweiterungsmodul 300. Dabei kann es sich um die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungsvorrichtung und das in Figur 3 beschriebene Kanalsystemerweiterungsmodul handeln.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die der Aufbereitungsvorrichtung 100 eine Vorlagerungskammer 310, eine weitere Vorlagerungskammer 350 sowie eine Auswertekammer 330, welche für die Aufnahme und zur mikrofluidischen Prozessierung eines Chips mit Auswertekavitäten 345 vorgesehen ist.
In diesem Ausführungsbeispiel liegt die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung 100 gegenüber der Wirkrichtung eines Schwerefelds geneigt vor, in einem Winkel von etwa 30°. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Aufbereitungsvorrichtung 100 in einem vorgegebenen Winkelbereich zwischen 0° und 45° zu den Feldlinien des Erdgravitationsfelds mit einer Schwerebeschleunigung von ca. 9.81 m/s2 ausgerichtet. Bei geeigneter Ausrichtung der Vorlagerungskammer 310 und der daran angrenzenden mikrofluidischen Kanäle in der Aufbereitungsvorrichtung 100 wird so erreicht, dass Gasblasen, welche sich bei dem Lösen des Reagenzes bilden, schwerkraftsgetrieben durch die auf die Gasblasen aufgrund des Dichteunterschieds zu der umgebenden Flüssigkeit wirkende Auftriebskraft abgeführt werden, wohingegen die Reaktionsflüssigkeit gasblasenfrei weiterverwendbar ist. Die Reaktionsflüssigkeit ist daraufhin beispielsweise für die Durchführung einer Polymerase- Kettenreaktion in der Aufbereitungsvorrichtung 100 einsetzbar, um Bestandteile des Eluats, bei dem es sich lediglich beispielhaft um bestimmte, vorgegebene Nukleinsäure-Sequenzen handelt, zu amplifizieren und damit für eine darauffolgende Nachweisreaktion zugänglich zu machen. Bei der daran anschließenden Nachweisreaktion handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine Amplifikationsreaktion, welche in einem Array- Format durchgeführt wird, um unterschiedliche Targets anhand eines Fluoreszenz-Signals nachzuweisen. In einem anderen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der anschließenden Nachweisreaktion um eine Hybridisierungsreaktion, welche in einem Array-Format durchgeführt wird, um unterschiedliche Targets anhand eines Biolumineszenz-Signals zu detektieren.
Fig. 5A zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung. Dabei kann es sich um die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungsvorrichtung handeln.
Das Verfahren 500 umfasst dabei einen Schritt 505 des Einbringens einer Probenflüssigkeit in die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung. Zudem umfasst das Verfahren 500 einen Schritt 510 des Extrahierens von in der Probenflüssigkeit vorliegenden Probenbestandteilen durch ein Filterelement, wobei eine Anbindung von in der Probenflüssigkeit vorliegenden Bestandteilen, bei denen es sich in diesem Ausführungsbeispiel um Nukleinsäuren handelt, an das Filterelement erfolgt, welches sich in der Filterkammer befindet. Um eine Bindung der Bestandteile an den Filter zu verbessern oder zu ermöglichen, erfolgt dieser Schritt lediglich beispielhaft unter Pumpen eines Bindepuffers. Wie oben beschrieben, können das Extrahieren und ein optionaler anschließender Schritt des Waschens des Filterelements über Kanaleinlass 110, Filterzweig 125 und Kanalauslass 150 erfolgen, wobei kein oder möglichst wenig Fluid in den Pumpzweig 155 geleitet wird, insbesondere durch Schließung der Pumpventile 165a, 165b und vorzugsweise auch unter Schließung der weiteren Pumpventile 175a, 175b. Zudem weist das Verfahren 500 einen Schritt 515 des Eluierens von Probenbestandteilen von dem Filterelement auf. Dabei werden an den Filter angebundene Probenbestandteile heruntergelöst. Das Eluieren kann dabei, wie oben beschrieben, über eine Spülung durch den Pumpzweig 155 und den Filterzweig 125 erfolgen, in besonderer Ausgestaltung über eine mehrfache, kreisförmige Spülung, insbesondere bei Schließung des Einlassventils 115 und des Auslassventils 152 und bei Öffnung der Pumpventile 165a, 165b und, sofern vorhanden, bevorzugt der weiteren Pumpventile 175a, 175b. Lediglich beispielhaft erfolgt dies unter Einsatz eines Elutionspuffers, in dem die Bestandteile nach dem Herunterlösen vorliegen. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt vor dem eigentlichen Eluieren ein Spülen des mikrofluidischen Kanals mit einem Elutionspuffer, unter Abtrennung der Filterkammer mittels der mikrofluidischen Filterventile, um Reste des Bindepuffers und des Waschpuffers zu entfernen.
Fig. 5B zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Steuergerätes 550 zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung gemäß einer hier vorgestellten Variante. Das Steuergerät umfasst eine Einheit 555 zum Ansteuern eines Einbringens einer Probenflüssigkeit in die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung. Ferner umfasst das Steuergerät 550 eine Einheit 560 zum Ansteuern eines Extrahierens von in der Probenflüssigkeit vorliegenden Probenbestandteilen durch ein Filterelement und eine Einheit 565 zum Ansteuern eines Eluierens von Probenbestandteilen von dem Filterelement.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung mit einem zusätzlichen Schritt 600 des Lysierens und einem zusätzlichen Schritt 605 des Waschens. Dabei kann es sich um das in Figur 5 beschriebene Verfahren handeln.
In diesem Ausführungsbeispiel folgt im Anschluss an den Schritt 505 des Einbringens und vor dem Schritt 510 des Extrahierens ein Schritt 600 des Lysierens der Probenflüssigkeit, in dem eine Lyse von in der Probenflüssigkeit vorliegenden Bestandteilen, wie beispielsweise Bakterien oder Zellen, durchgeführt wird. Die Lyse erfolgt lediglich beispielhaft durch Zugabe eines Lysepuffers zur Probenflüssigkeit, wobei der mit der Probenflüssigkeit vermischte Lysepuffer anschließend in einem Schritt des 510 des Extrahierens über den Kanaleinlass 110, den Filterzweig 125 und den Kanalauslass 150 geführt werden kann, insbesondere bei geschlossenem ersten Pumpventil 165a und geschlossenem weiteren ersten Pumpventil 175a, und dabei eine Anreicherung von bei der Lyse freigesetzten Probenbestandteilen wie beispielsweise Nukleinsäuren auf dem Filterelement erfolgen kann. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt die Lyse durch eine Einwirkung von Ultraschall. Zusätzlich weist das Verfahren 500 in diesem Ausführungsbeispiel im Anschluss an den Schritt 510 des Extrahierens und vor dem Schritt 515 des Eluierens einen Schritt 605 des Waschens des Filterelements und der Filterkammer auf, wobei der Schritt 605 des Waschens wie zu Figur 5 oben beschrieben über den kurzen Weg Kanaleinlass 110 - Filterzweig 125 - Kanalauslass 150 erfolgen kann. Im Schritt 605 des Waschens werden insbesondere Reste des Bindepuffers, welche sich in der Umgebung der Filterkammer befinden, entfernt und durch den Waschpuffer ersetzt.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung mit einem Kanalsystemerweiterungsmodul 300. Dabei kann es sich um das in Figur 5 und in Figur 6 beschriebene Verfahren handeln.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 500 im Anschluss an den Schritt 515 des Eluierens einen zusätzlichen Schritt 700 des Bereitstellens einer Reaktionsflüssigkeit mittels Lösens eines Reagenzes unter Verwendung der Probenbestandteile. Der Schritt 700 des Bereitstellens einer Reaktionsflüssigkeit kann auch als Schritt des Bead-Lösens bezeichnet werden. Dabei wird wenigstens ein Teil des zuvor gewonnenen Eluats in eine in Figur 3 beschriebene Vorlagerungskammer transferiert, um ein dort vorgelagertes Reagenz zu lösen und eine Reaktionsflüssigkeit für eine erste Amplifikationsreaktion herzustellen.
Zusätzlich weist das Verfahren 500 in diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 705 des Durchführens einer Amplifikationsreaktion auf. Dabei wird die erzeugte Reaktionsflüssigkeit lediglich beispielhaft in der Aufbereitungsvorrichtung zyklisch auf zwei unterschiedliche Temperaturniveaus in zwei in Reihe angeordneten und durch Pumpventile abtrennbaren Pumpkammern temperiert, insbesondere in einer oder mehreren der Pumpkammern 160a, 160b, 160c im Pumpzweig 155. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Temperierung für die Durchführung einer multiplexen Polymerase- Kettenreaktion eingesetzt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt auf den Schritt 705 des Durchführens einer Amplifikationsreaktion ein Schritt des Verdünnens der Reaktionsflüssigkeit, welche die Reaktionsprodukte aus der ersten Amplifikationsreaktion enthält.
Weiter optional erfolgt in einem anderen Ausführungsbeispiel nach dem Schritt 705 des Durchführens einer Amplifikationsreaktion ein Schritt des Temperierens, um eine Denaturierung von Bestandteilen der Reaktionsflüssigkeit zu bewirken. Weiter optional erfolgt in einem anderen Ausführungsbeispiel nach dem Schritt 705 des Durchführens einer Amplifikationsreaktion ein Schritt des Hinzufügens weiterer Reagenzien, die beispielsweise in flüssiger oder in fester, beispielsweise gefriergetrockneter oder lyophilisierter Form vorliegen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird nach dem Schritt 705 des Durchführens einer Amplifikationsreaktion der Schritt 700 des Bereitstellens einer Reaktionsflüssigkeit wiederholt. Dabei wird ein Teil der verdünnten Reaktionsflüssigkeit, welche einen Teil der Reaktionsprodukte aus der ersten Amplifikationsreaktion enthält, verwendet, um damit ein weiteres Bead in der weiteren Vorlagerungskammer zu lösen und eine Reaktionsflüssigkeit für die Durchführung einer Nachweisreaktion herzustellen. Zudem umfasst das Verfahren 500 in diesem Ausführungsbeispiel einen zusätzlichen Schritt 710 des Aliquotierens der Reaktionsflüssigkeit. Dabei erfolgt ein Verteilen eines Teils der Reaktionsflüssigkeit aus dem Schritt 700 des Bereitstellens einer Reaktionsflüssigkeit auf wenigstens zwei Reaktionskompartimente. Für die Erzeugung der Reaktionskompartimente wird lediglich beispielhaft ein Teil der Flüssigkeit über die in Figur 3 beschriebene Auswertekammer in die Mikrokavitäten überführt und im Anschluss daran werden die Mikrokavitäten versiegelt durch Einleiten einer weiteren, nicht mit der Reaktionsflüssigkeit mischbaren Flüssigkeit in die Auswertekammer, sodass daraufhin voneinander getrennte mikrofluidische Reaktionskompartimente aus Teilen, oder Aliquots, der Reaktionsflüssigkeit in den Mikrokavitäten vorliegen. In den einzelnen Mikrokavitäten sind in diesem Ausführungsbeispiel Targetspezifische Reagenzien vorgelagert, um die aliquotiert vorliegende Flüssigkeit auf das Vorhandensein unterschiedlicher Targets hin zu untersuchen.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 500 zusätzlich einen Schritt 715 des Durchführens einer Nachweisreaktion auf, insbesondere in der Auswertekammer 330. Dabei handelt es sich bei der Nachweisreaktion lediglich beispielhaft um eine zweite Amplifikationsreaktion, spezifisch um eine Polymerase- Kettenreaktion, wobei ein Temperieren der Mikrokavitäten und der darin befindlichen mikrofluidischen Reaktionskompartimente erfolgt, um in diesen die Durchführung weiterer Amplifikationsreaktionen zu ermöglichen. In einem anderen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Nachweisreaktion um eine isothermale Amplifikationsvariante.
Außerdem umfasst das Verfahren 500 in diesem Ausführungsbeispiel einen zusätzlichen Schritt 720 des Auswertens eines Reaktionsresultats, insbesondere in der Auswertekammer 330. Die Auswertung erfolgt lediglich beispielhaft optisch durch das Auswerten eines Fluoreszenzsignals, welches von in den einzelnen Reaktionskompartimenten vorhandenen Sondenmolekülen hervorgerufen wird. Auf Grundlage des Signals kann die Probenflüssigkeit so auf das Vorhandensein unterschiedlicher Target-Substanzen hin untersucht werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt der Schritt 720 des Auswertens parallel zum 715 des Durchführens einer Nachweisreaktion. In anderen Ausführungsformen des Verfahrens 500 können einzelne Schritte wiederholt ausgeführt, in ihrer Reihenfolge vertauscht oder weggelassen werden.
Mit anderen Worten lässt sich die hier vorgestellte Aufbereitungsvorrichtung wie folgt beschreiben:
Die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungseinrichtung zeichnet sich unter anderem durch eine besonders hohe Variabilität der einstellbaren Flussraten und Pumpcharakteristiken für die Prozessierung des Filterelements aus, insbesondere durch eine Verwendung wenigstens zweier unterschiedlicher Typen von aktiven mikrofluidischen Elementen für die Erzeugung eines Flusses. Das heißt insbesondere durch membran-basierte Elemente mit wenigstens zwei unterschiedlichen Fluidverdrängungsvolumina, insbesondere geeignet dimensionierte Pumpkammern und Pumpventile wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben. Zudem weist die Aufbereitungseinrichtung eine geeignete Anordnung und Anzahl der mikrofluidischen Elemente auf, um beispielsweise ein peristaltisches Pumpen mit wenigstens drei Elementen zu ermöglichen, wobei das in einem Schritt transportierte Flüssigkeitsvolumen dem Verdrängungsvolumen eines Elements entspricht, oder um beispielsweise ein unidirektionales oder bidirektionales Pumpen unter Verwendung von vier gleichen Elementen zu erzielen, wobei das transportierbare Flüssigkeitsvolumen dem Verdrängungsvolumen von zwei Elementen entspricht. Außerdem ist bei der in den vorangegangenen Figuren beschriebenen Aufbereitungseinrichtung eine Verwendung unterschiedlicher Aktuationsabläufe der mikrofluidischen Elemente möglich, mit anpassbarer Aktuationsfrequenz und Reihenfolge der Aktuation der mikrofluidischen Elemente, um ein peristaltisches Pumpen oder Shuttle-Pumpen insbesondere bidirektional in dem mikrofluidischen Kanal und insbesondere durch die Filterkammer mit dem Filterelement hindurch zu ermöglichen. Zudem ermöglicht die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungseinrichtung eine besonders vorteilhafte Anbindung der Aufbereitungsvorrichtung, die auch als Aufreinigungseinheit bezeichnet werden kann, an ein mikrofluidisches Netzwerk sowie eine besonders platzsparende Anordnung und effiziente sowie mehrfache Nutzung der die Aufreinigungseinheit bildenden mikrofluidischen Elemente. Insbesondere ist dies durch eine Implementierung von drei in Reihe angeordneten Pumpkammern in das mikrofluidische Kanalsystem realisierbar, welche durch zwei an die beiden äußeren der drei Pumpkammern angrenzenden Ventile von dem mikrofluidischen Kanalsystem und dem die Aufbereitungsvorrichtung umgebendem mikrofluidischen Netzwerk abgetrennt werden können und welche insbesondere einzeln, das heißt im Wesentlichen unabhängig voneinander, temperierbar sind. Auf diese Weise können bei einer geeigneten Temperierung die drei isolierten Pumpkammern eingesetzt werden, um einen Flüssigkeits-Plug darin periodisch auf unterschiedliche Temperaturen zu bringen und beispielsweise eine Polymerase- Kettenreaktion in dem Flüssigkeits-Plug durchzuführen.
Zudem weist die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungseinrichtung ein geringes Totvolumen auf, insbesondere eines Waschpuffers, welches unerwünscht in einen Elutionspuffer gelangt, insbesondere durch eine räumlich möglichst unmittelbare Anordnung der beiden die Filterkammer mit dem Filterelement umgebenden Filterventile und der daran angrenzenden T-förmigen Kanalkreuzungselemente und/oder eine Minimierung des dort vorliegenden Kanalvolumens.
Außerdem zeichnet sich die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Aufbereitungseinrichtung durch die Möglichkeit einer Prozessierung variabler Flüssigkeitsvolumina aus, insbesondere durch eine Implementierung von insgesamt vier Pumpkammern in die Aufreinigungseinheit, um einen Flüssigkeits- Plug, der im Wesentlichen das Verdrängungsvolumen von einer oder zwei der Pumpkammern aufweist, in der Aufreinigungseinheit prozessieren zu können. Auch die Möglichkeit einer Einbettung des zu prozessierenden Probenflüssigkeitsvolumens in eine zweite nicht mischbare flüssige Phase kann den Aufbereitungsprozess begünstigen.

Claims

- 33 -
Ansprüche
1. Mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung (100) zum Aufbereiten einer Probenflüssigkeit, wobei die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: mindestens ein mikrofluidisches Kanalsystem (105) mit mindestens einem Filterzweig (125) und einem mit dem Filterzweig (125) parallel geschalteten Pumpzweig (155); mindestens eine in dem Filterzweig (125) angeordnete Filterkammer (130) zum Aufnehmen eines Filterelements (135), wobei der Filterzweig (125) über ein erstes, insbesondere T-förmiges, Kanalkreuzungselement (120) mit einem Kanaleinlass (110) und über ein zweites, insbesondere T-förmiges, Kanalkreuzungselement (145) mit einem Kanalauslass (150) fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist und wobei die Filterkammer (130) durch zumindest zwei Filterventile (140a, 140b) vom restlichen Kanalsystem (105) fluidisch abtrennbar ist; eine in dem Pumpzweig (155) angeordnete Pumpeinrichtung (157) zum Herstellen eines fluidischen Flusses im Kanalsystem (105), wobei die Pumpeinrichtung (157) zumindest ein Pumpventil (165a) und/oder mindestens eine Pumpkammer (160a) umfasst und wobei der Pumpzweig (155) über einen anderen Anschluss des ersten Kanalkreuzungselements (120) als der Filterzweig (125) fluidisch mit dem Kanaleinlass (110) und über einen anderen Anschluss des zweiten Kanalkreuzungselements (145) als der Filterzweig (125) fluidisch mit dem Kanalauslass (150) gekoppelt oder koppelbar ist.
2. Aufbereitungsvorrichtung (100) Anspruch 1, wobei die Pumpeinrichtung (157) zwei, insbesondere drei, benachbart zueinander in einer Reihe angeordnete oder geschaltete Pumpkammern (160a, 160b, 160c) - 34 - umfasst. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Pumpeinrichtung (157) eine weitere Pumpkammer (170) umfasst, wobei die weitere Pumpkammer (170) durch mindestens ein Pumpventil (175a) von den in Reihe geschalteten Pumpkammern (160a, 160b, 160c) abgetrennt oder abtrennbar ist. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei jede der in Reihe geschalteten Pumpkammern (160a, 160b, 160c) und die weitere Pumpkammer (170) ein im Wesentlichen gleich großes Volumen aufweisen. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zumindest zwei der in Reihe geschalteten Pumpkammern (160a, 160b, 160c) je voneinander unabhängig temperierbar ausgebildet sind. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem fluidisch mit dem Pumpzweig (155) gekoppelten oder koppelbaren Kanalsystemerweiterungsmodul (300), wobei das Kanalsystemerweiterungsmodul (300) mindestens eine Vorlagerungskammer (310) zum Vorlagern von Reagenzien und/oder mindestens eine Auswertekammer (330) mit Auswertekavitäten (345) zum Auswerten von Probenbestandteilen einer Probenflüssigkeit umfasst. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Vorlagerungskammer (310) mittels eines mit einem Vorlagerventil (320) verschließbaren Kanalanschlusselements (315) mit dem Pumpzweig (155) fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist und wobei die Auswertekammer (330) mittels eines mit einem Auswerteventil (335) verschließbaren weiteren Kanalanschlusselements (327) mit dem Pumpzweig (155) fluidisch gekoppelt oder koppelbar ist. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Pumpeinrichtung (157) eine einzige Pumpkammer (160a) und zumindest drei Pumpventile (165a, 165b, 175a, 175b) umfasst. Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen dem Kanaleinlass (110) und dem ersten Kanalkreuzungselement (120) ein Einlassventil (115) und/oder zwischen dem Kanalauslass (150) und dem zweiten Kanalkreuzungselement (145) ein Auslassventil (152) angeordnet ist. Verfahren (500) zum Betreiben einer mikrofluidischen Aufbereitungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst:
Einbringen (505) einer Probenflüssigkeit in die mikrofluidische Aufbereitungsvorrichtung (100);
Extrahieren (510) von in der Probenflüssigkeit vorliegenden Probenbestandteilen durch ein Filterelement (135); und
Eluieren (515) von Probenbestandteilen von dem Filterelement (135). Verfahren (500) gemäß Anspruch 10, mit einem zusätzlichen Schritt (600) des Lysierens der Probenflüssigkeit im Anschluss an den Schritt des Einbringens (505) und vor dem Schritt des Extrahierens (510) und/oder mit einem zusätzlichen Schritt des Waschens (605) des Filterelements (135) und der Filterkammer (130) im Anschluss an den Schritt des Extrahierens (510) und vor dem Schritt des Eluierens (515). Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, mit einem zusätzlichen Schritt (700) des Bereitstellens einer Reaktionsflüssigkeit mittels Lösens eines Reagenzes unter Verwendung der Probenbestandteile im Anschluss an den Schritt des Eluierens (515) und/oder mit einem zusätzlichen Schritt (705) des Durchführens einer Amplifikationsreaktion und/oder einem zusätzlichen Schritt (710) des Aliquotierens der Reaktionsflüssigkeit und/oder einem zusätzlichen Schritt (715) des Durchführens einer Nachweisreaktion und/oder einem zusätzlichen Schritt (720) des Auswertens eines Reaktionsresultats.
13. Steuergerät, (550) das eingerichtet ist, um die Schritte (505, 510, 515) des Verfahrens (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten (555, 560, 565) auszuführen und/oder anzusteuern. 14. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des
Verfahrens (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
15. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
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