WO2024052283A1 - Mikrofluidische vorrichtung und verfahren zu ihrem betrieb - Google Patents

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WO2024052283A1
WO2024052283A1 PCT/EP2023/074175 EP2023074175W WO2024052283A1 WO 2024052283 A1 WO2024052283 A1 WO 2024052283A1 EP 2023074175 W EP2023074175 W EP 2023074175W WO 2024052283 A1 WO2024052283 A1 WO 2024052283A1
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WO
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array
microfluidic device
inlet line
chamber
fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/074175
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anja Lippert
Manuel Loskyll
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/02—Adapting objects or devices to another
    • B01L2200/026—Fluid interfacing between devices or objects, e.g. connectors, inlet details
    • B01L2200/027—Fluid interfacing between devices or objects, e.g. connectors, inlet details for microfluidic devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0636—Integrated biosensor, microarrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0877—Flow chambers

Definitions

  • the present invention relates to a microfluidic device having an array.
  • the present invention also relates to a method for operating the microfluidic device.
  • Microfluidic analysis systems also known as lab-on-chip systems, allow automated processing of chemical or biological substances for medical diagnostics. For this purpose, they often have an array into which several blind hole-shaped depressions are etched. Dried reagents are stored in these wells.
  • a reaction liquid is pumped to the array through an inlet channel, which initially runs at a lower level than the array and is then diverted to the height of the array, so that it washes over it.
  • the depressions also known as wells, are filled in this way.
  • the depressions can then be insulated from each other using a sealing liquid. This is described, for example, in DE 10 2018 204 624 A1. After the sealing liquid has been introduced, chemical reactions take place in the wells between the reaction liquid and the reagents stored there.
  • the chamber in which the array is arranged is optically accessible so that the results of the reactions can be evaluated using an optical sensor.
  • the microfluidic device has an inlet line that opens into an array chamber.
  • An array is arranged in the array chamber.
  • An array is an element that can function as a sample carrier and has several blind hole-shaped depressions on its top. Reagents in particular are arranged in the wells.
  • the array consists in particular of silicon.
  • the array has a defined transfer point that is arranged in the area of the inlet line. “Defined” here means that the crossing point differs from neighboring areas of the array. This transfer point acts as a stagnation point for a fluid, in particular a reaction liquid, which is introduced into the array chamber through the inlet line. This defined transfer point ensures that a fluid which flows into the array chamber through the inlet line passes onto the surface of the array close to the mouth of the inlet line and from there spreads evenly over the array. This ensures that the wells are filled in a reproducible and controlled manner. In particular, it is prevented that so-called cross-talk occurs between the individual depressions. Cross-talk is the phenomenon in which cross-currents transport reagents from the wells into neighboring wells. Only by preventing crosstalk can it be ensured that chemical reactions in the wells take place reproducibly and with sufficient yield.
  • the decisive factor for filling the wells is the defined progression of the interface between air and a reaction mixture on the array or two different fluids flowing in one after the other.
  • This progression is significantly influenced by geometric dimensional deviations and local surface properties of the array as well as properties of the flow to the array. These can lead to unforeseen fluctuations in the movement of the interface and thus trigger transverse movements.
  • there may be, for example, increased wetting along the central axis of the array and/or a increased lateral wetting, which means there is a risk of air pockets in adjacent corners of the array chamber and incomplete wetting of the array.
  • the edge-shaped transition point ensures a defined progression of the interface.
  • the transition point is a corner of the array.
  • array chambers are usually designed in such a way that a long side of the array faces the inlet line
  • this embodiment of the microfluidic device can be realized in that the array chamber faces one of its corners towards the inlet line, so that the array arranged therein also faces one of its corners towards the inlet line.
  • the array chamber and the array are rotated by 45° relative to the inlet line compared to a conventional arrangement.
  • the corner angle of the crossing point is in particular 90°.
  • the transition point comprises at least one notch in an upper side of the array.
  • the notch in particular has a semicircular, triangular or square cross section.
  • Such a notch can serve as a flow guide notch or phase guide in order to direct the fluid phase onto the array at the transfer point. This makes it possible to create a transfer point even if, in a conventional manner, one long side of the array faces the inlet line.
  • the notch runs in particular parallel to the longitudinal axis of the inlet line or in the direction of flow. The notch is therefore particularly aligned with the opening of the supply line into the array chamber. It supports the transfer of the fluid phase, particularly through capillary pressure.
  • notches are provided, for example three or five notches. These notches are particularly preferably distributed over an area whose width corresponds to a width of the inlet line, i.e. a width of the opening of the inlet line into the array chamber.
  • One or more notches can be in the plane of the top of the array with respect to the inlet line or flow direction be inclined or curved.
  • the end of such a notch closer to the feed line can point towards the feed line or towards the opening of the feed line, while the second end of the notch deviates from this direction, in particular from the flow direction, for example by 5 to 20 degrees, in order to go over the notch to easily deflect the coming fluid and preferably to support the most complete fluidic coverage of the array by lateral widening of the fluid.
  • one or more of the outer notches have a direction and/or bend that points away from the other notches in order to expand fluid coming from the flow direction laterally to the flow direction.
  • the length of an array chamber is typically 105 - 110% of the length of the array and the width of the array chamber is typically 105 - 110% of the width of the array. Since the array is an insert that is inserted into the array chamber at a distance from the walls, a channel is formed around the array, which is filled by a fluid flowing into the array chamber through the inlet line. It is then impossible to predict at which point the fluidic interface will emerge over the edge of the array. It is therefore preferred that the space between the array and the side walls of the array chamber is filled with a filling material up to an upper side of the array. This filling material prevents the fluid from spreading in the gap and washing around the array. Instead, it immediately hits the array at the level of the top of the array and can be directed over the array surface in the intended manner at the transfer point.
  • the filling material is particularly preferably an adhesive. This means that the filling material can fulfill a dual function by not only filling the gap, but also fixing the array in its position.
  • a bottom of the feed line is in the same plane as a top of the array. This has the advantage that there is no change at the mouth of the inlet line into the array chamber The flow direction of the fluid takes place so that the fluid does not escape past the transfer point.
  • the microfluidic device is in particular a cartridge that is intended to be inserted into a microfluidic analysis system. Reagents are stored in such a cartridge and a sample liquid is introduced into the cartridge. After performing chemical reactions and analyzing the reaction result, the cartridge can be disposed of as a disposable item while other components of the analysis device, such as an optical sensor, are reused.
  • the array chamber has, in particular, a transparent window above the top of the array, through which the contents of the wells can be analyzed using optical methods.
  • Such a cartridge has in particular a fluidic layer, an elastomeric membrane and a pneumatic layer.
  • the fluidic layer is understood to mean a layer in which a fluid channel system for transporting reagents and sample liquids is formed in a substrate and in which the array chamber is arranged.
  • the fluidic layer is separated from the pneumatic layer by the elastomeric membrane.
  • Pneumatic channels run in the pneumatic layer and open onto the elastomer membrane.
  • the microfluidic device is set up to carry out an amplification reaction, such as a PCR reaction or an rlTA reaction.
  • the setup is done by providing the reagents required for the amplification reaction.
  • a fluid is passed from the inlet line onto the array at the transfer point.
  • the fluid flows symmetrically towards the transfer point. If the crossing point is designed as a corner, then this means that a The bisector of the corner runs in particular parallel to a flow direction of the fluid. If the crossing point has at least one notch, then the notch runs in particular parallel to the direction of flow.
  • Figure 1 a shows a top view of an array chamber of a microfluidic device according to the prior art.
  • Figure 1 b shows a cross-sectional view of the array chamber according to Figure 1 a.
  • Figure 2a shows a top view of an array chamber of a microfluidic device according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 2b shows a cross-sectional view of the array chamber according to Figure 2b.
  • Figure 3a shows a top view of an array chamber of a microfluidic device according to another embodiment of the invention.
  • Figure 3b shows a cross-sectional view of the array chamber according to Figure 3a.
  • a microfluidic device 10 can be designed as a microfluidic disposable cartridge.
  • Your array chamber is shown in Figures 1a and 1b.
  • a supply line 11 with a bottom 12 is provided to introduce a fluid into the array chamber 14 along a flow direction 13.
  • An array 20 is arranged in the array chamber 14, which is designed, for example, as a silicon chip with several depressions in its top side 21.
  • a space 15 runs between the array 20 and the side walls of the array chamber 14.
  • the underside 12 of the inlet line 11 is positioned lower than the underside of the array chamber 14.
  • a step-shaped diversion therefore takes place at the mouth of the inlet line 11 into the array chamber 14.
  • an outlet line 16 opens into the array chamber 14.
  • the surface 21 of the array 20 is square. Both the mouth of the inlet line 11 and the mouth of the outlet line 16 each face the center of one of the sides of the array 20.
  • a fluid that flows into the array chamber 14 along the flow direction 13 through the inlet line 11 first fills the intermediate space 15 and then washes over the top 21 of the array 20. Part of the fluid collects in the depressions (not shown) in the array 20. This remaining fluid flows out of the array chamber 14 through the drain line 16.
  • Figures 2a and 2b show the inlet line 11, the array chamber 14 and the outlet line 16 of a microfluidic device 10 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the inlet line 11 does not have a step-shaped diversion. Instead, it is arranged so that its bottom 12 lies in the same plane as the top 21 of the array 20.
  • the array chamber 14 and the array 20 are rotated by 45 ° compared to the microfluidic device 10 according to the prior art.
  • the array 20 thereby turns one of its corners 22 towards the inlet line 11. This corner 22 functions as an edge-shaped transition point at which fluid flowing in through the inlet line 11 is dammed up.
  • a corner angle a of this corner 22, which functions as a defined crossing point, is 90°.
  • the space 15 is filled with an adhesive 30 up to the height of the top 21 of the array 20.
  • the fluid flowing in from the inlet line 11 does not initially spread into the intermediate space 15, but rather hits the corner 22 directly, where it is dammed, and then spreads evenly over the top 21 of the array 20 and to wash it over. Fluid that does not collect in the wells (not shown) of the array 20 drains away, as in the prior art, via the drain line 16.
  • the inlet line 11, the array chamber 14 and the outlet line 12 of a microfluidic device 10 according to a second exemplary embodiment Invention is shown in Figures 3a and 3b.
  • the inlet line 11 is designed so that its underside 12 lies in the same plane as the upper side 21 of the array 20.
  • the gap 15 is filled with an adhesive 30 just like in the first exemplary embodiment.
  • the array chamber 14 and the array 20 are arranged in the same way as in the microfluidic device 10 according to the prior art in such a way that not a corner 22 but a side of the array 20 faces the inlet line 11.
  • the four parallel notches 23 which have a semicircular cross section, for example, are formed in the top 21 of the array 20 parallel to the longitudinal axis L of the inlet line 11. These are arranged so that they begin directly on the side of the array 20 facing the inlet line 11.
  • the two outer notches 23 each represent an extension of a side wall of the inlet line 11.
  • the two further notches 23 are arranged between these two outer notches 23 in such a way that all adjacent notches 23 are each at the same distance. In the present exemplary embodiment, this distance is 100 pm.
  • the length of the notches is 25 pm each and their depth is 25 pm each.
  • the four notches 23 together form an edge-shaped transition point at which an inflowing fluid is dammed before it passes over to the array 20.

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Abstract

Mikrofluidische Vorrichtung (10), aufweisend eine Zulaufleitung (11), die in einer Arraykammer (14) mündet, wobei in der Arraykammer (14) ein Array (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (20) eine definierte Übertrittsstelle (22) aufweist, die im Bereich der Zulaufleitung (11) angeordnet ist. Beim Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird ein Fluid an der Übertrittsstelle (22) von der Zulaufleitung (11) auf das Array geleitet.

Description

Beschreibung
Titel
Mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zu ihrem Betrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung, die ein Array aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung.
Stand der Technik
Mikrofluidische Analysesysteme, die auch als Lab-on-Chip Systeme bezeichnet werden, erlauben ein automatisiertes Prozessieren chemischer oder biologischer Substanzen für die medizinische Diagnostik. Hierzu weisen sie häufig ein Array auf, in das mehrere sacklochförmige Vertiefungen geätzt sind. In diesen Vertiefungen werden eingetrocknete Reagenzien vorgelagert.
Durch einen Zulaufkanal der zunächst in einer tieferen Ebene als das Array verläuft und dann auf die Höhe des Arrays umgelenkt wird, wird eine Reaktionsflüssigkeit zu dem Array gepumpt, sodass sie es überspült. Die Vertiefungen, die auch als Wells bezeichnet werden, werden auf diese Weise befüllt. Anschließend können die Vertiefungen mittels einer Versiegelungsflüssigkeit gegeneinander isoliert werden. Dies wird beispielsweise in der DE 10 2018 204 624 A1 beschrieben. Nach dem Einbringen der Versiegelungsflüssigkeit laufen in den Vertiefungen chemische Reaktionen zwischen der Reaktionsflüssigkeit und den dort vorgelagerten Reagenzien ab. Die Kammer, in der das Array angeordnet ist, ist optisch zugänglich, sodass die Ergebnisse der Reaktionen mittels eines optischen Sensors ausgewertet werden können.
Offenbarung der Erfindung Die mikrofluidische Vorrichtung weist eine Zulaufleitung auf, die in einer Arraykammer mündet. In der Arraykammer ist ein Array angeordnet. Unter einem Array wird ein Element verstanden, welches als Probenträger fungieren kann und an seiner Oberseite mehrere sacklochförmige Vertiefungen aufweist. In den Vertiefungen sind insbesondere Reagenzien angeordnet. Das Array besteht insbesondere aus Silizium.
Das Array weist eine definierte Übertrittsstelle auf, die im Bereich der Zulaufleitung angeordnet ist. Unter „definiert“ wird hierbei verstanden, dass die Übertrittsstelle sich von benachbarten Bereichen des Arrays unterscheidet. Diese Übertrittsstelle fungiert als Staupunkt für ein Fluid, insbesondere eine Reaktionsflüssigkeit, welches durch die Zulaufleitung in die Arraykammer eingeleitet wird. Diese definierte Übertrittsstelle sorgt dafür, dass ein Fluid, welches durch die Zulaufleitung in die Arraykammer einströmt, nahe an der Mündung der Zulaufleitung auf die Oberfläche des Arrays übertritt und sich von dort aus gleichmäßig über das Array ausbreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Befüllung der Vertiefungen auf reproduzierbare und kontrollierte Weise erfolgt. Insbesondere wird verhindert, dass es zwischen den einzelnen Vertiefungen zu sogenanntem Quersprechen kommt. Als Quersprechen wird das Phänomen bezeichnet, bei dem durch Querströmungen Reagenzien aus den Vertiefungen in benachbarte Vertiefungen transportiert werden. Nur durch das Verhindern des Quersprechens kann sichergestellt werden, dass chemische Reaktionen in den Vertiefungen reproduzierbar und mit hinreichender Ausbeute ablaufen.
Entscheidend für die Befüllung der Vertiefungen ist das definierte Fortschreiten der Grenzfläche zwischen Luft und einem Reaktionsgemisch auf dem Array oder zweier sich unterscheidender und nacheinander einströmenden Fluide. Dieses Fortschreiten wird maßgeblich von geometrischen Maßabweichungen und lokalen Oberflächeneigenschaften des Arrays sowie von Eigenschaften der Anströmung des Arrays beeinflusst. Diese können zu unvorhergesehenen Schwankungen in der Bewegung der Grenzfläche führen und damit Querbewegungen auslösen. Zusätzlich kann es beispielsweise zu einer verstärkten Benetzung entlang der Mittelachse des Arrays und/oder zu einer verstärkten seitlichen Benetzung kommen, wodurch die Gefahr von Lufteinschlüssen in angrenzenden Ecken der Arraykammer sowie einer unvollständigen Benetzung des Arrays besteht. Die kantenförmige Übertrittsstelle stellt ein definiertes Fortschreiten der Grenzfläche sicher.
In einer bevorzugten Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung ist die Übertrittsstelle eine Ecke des Arrays. Während Arraykammern üblicherweise so ausgeführt sind, dass eine Längsseite des Arrays der Zulaufleitung zugewandt ist, kann diese Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung dadurch realisiert wird, dass die Arraykammer der Zulaufleitung eine ihrer Ecken zuwendet, sodass auch das darin angeordnete Array eine seiner Ecken der Zulaufleitung zuwendet. Im Falle einer quadratischen Form der Arraykammer und einer quadratischen Form des Arrays bedeutet dies, dass die Arraykammer und das Array gegenüber einer herkömmlichen Anordnung relativ zur Zulaufleitung um 45° gedreht sind. Der Eckwinkel der Übertrittsstelle beträgt insbesondere 90°.
In einer bevorzugten Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung umfasst die Übertrittsstelle mindestens eine Kerbe in einer Oberseite des Arrays. Die Kerbe weist insbesondere einen halbkreisförmigen, dreieckigen oder viereckigen Querschnitt auf. Eine solche Kerbe kann als Strömungsleitkerbe bzw. Phaseguide dienen, um die fluide Phase an der Übertrittsstelle auf das Array zu lenken. Dadurch ist es möglich, eine Übertrittsstelle auch dann zu realisieren, wenn in herkömmlicher Weise eine Längsseite des Arrays der Zulaufleitung zugewandt ist. Die Kerbe verläuft insbesondere parallel zur Längsachse der Zulaufleitung bzw. in Strömungsrichtung. Die Kerbe ist somit insbesondere zur Öffnung der Zuleitung in die Arraykammer ausgerichtet. Sie unterstützt den Übertritt der fluiden Phase insbesondere durch einen kapillaren Druck.
Auch wenn die Übertrittsstelle grundsätzlich mittels einer einzigen Kerbe realisiert werden könnte, ist es bevorzugt, dass mehrere, insbesondere parallele, Kerben vorgesehen sind, beispielsweise drei oder fünf Kerben. Besonders bevorzugt sind diese Kerben über einen Bereich verteilt, dessen Breite einer Breite der Zulaufleitung, also einer Breite der Öffnung der Zulaufleitung in die Arraykammer, entspricht. Eine oder mehrere Kerben können bezüglich der Zulaufleitung bzw. Strömungsrichtung in der Ebene der Oberseite des Arrays geneigt oder gebogen sein. Mit anderen Worten kann das der Zuleitung nähere Ende einer solchen Kerbe zur Zulaufleitung bzw. zur Öffnung der Zulaufleitung zeigen, während das zweite Ende der Kerbe von dieser Richtung, insbesondere von der Strömungsrichtung abweicht, beispielsweise um 5 bis 20 Grad abweicht, um über die Kerbe kommendes Fluid leicht abzulenken und vorzugsweise eine möglichst vollständige fluidische Bedeckung des Arrays durch laterale Verbreiterung des Fluids zu unterstützen. Beispielsweise weisen bei mehreren Kerben eine oder mehrere der außenliegenden Kerben eine von den anderen Kerben wegweisende Richtung und/oder Biegung auf, um aus der Strömungsrichtung kommendes Fluid lateral zur Strömungsrichtung aufzuweiten.
Die Länge einer Arraykammer entspricht üblicherweise 105 - 110 % der Länge des Arrays und die Breite der Arraykammer entspricht üblicherweise 105 - 110 % der Breite des Arrays. Da es sich bei dem Array um ein Einlegeteil handelt, das von den Wänden der Arraykammer beabstandet in diese eingelegt wird, bildet sich ein Kanal um das Array herum aus, welcher von einem durch die Zulaufleitung in die Arraykammer einströmenden Fluid gefüllt wird. Es ist dann nicht vorhersehbar, an welcher Stelle die fluidische Grenzfläche über den Rand des Arrays treten wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass der Zwischenraum zwischen dem Array und den Seitenwänden der Arraykammer bis zu einer Oberseite des Arrays mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Dieses Füllmaterial verhindert, dass sich das Fluid in dem Zwischenraum ausbreitet und das Array umspült. Stattdessen trifft es sofort auf der Höhe der Oberseite des Arrays auf das Array und kann an der Übertrittsstelle in der vorgesehenen Weise über die Arrayoberfläche gelenkt werden.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Füllmaterial um einen Kleber. Damit kann das Füllmaterial eine Doppelfunktion erfüllen, indem es nicht es nicht nur den Zwischenraum füllt, sondern zusätzlich das Array an seiner Position fixiert.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Unterseite der Zulaufleitung sich in derselben Ebene befindet, wie eine Oberseite des Arrays. Dies hat den Vorteil, dass an der Mündung der Zulaufleitung in die Arraykammer keine Änderung der Strömungsrichtung des Fluids erfolgt, sodass ein Ausweichen des Fluids an der Übertrittsstelle vorbei verhindert wird.
Bei der mikrofluidischen Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Kartusche, die dazu vorgesehen ist, um in ein mikrofluidisches Analysesystem eingesetzt zu werden. In einer solchen Kartusche sind Reagenzien vorgelagert und eine Probenflüssigkeit wird in die Kartusche eingeführt. Nach Durchführen chemischer Reaktionen und einer Analyse des Reaktionsergebnisses kann die Kartusche als Einmalartikel entsorgt werden, während andere Komponenten der Analysevorrichtung, wie beispielsweise ein optischer Sensor, wiederverwendet werden. Hierzu weist die Arraykammer oberhalb der Oberseite des Arrays insbesondere ein transparentes Fenster auf, durch welches die Inhalte der Vertiefungen mittels optischer Methoden analysiert werden können.
Eine derartige Kartusche weist insbesondere eine Fluidikschicht, eine Elastomermembran und eine Pneumatikschicht auf. Unter der Fluidikschicht wird dabei eine Schicht verstanden, in der ein Fluidkanalsystem zum Transportieren von Reagenzien und Probenflüssigkeiten in einem Substrat ausgebildet ist und in der die Arraykammer angeordnet ist. Die Fluidikschicht wird durch die Elastomermembran von der Pneumatikschicht getrennt. In der Pneumatikschicht verlaufen Pneumatikkanäle, die an die Elastomermembran münden. Durch Anlegen eines Überdrucks an die Pneumatikkanäle kann die Elastomermembran in die Fluidikschicht hinein ausgelenkt werden und durch Anlegen eines Unterdrucks an die Pneumatikkanäle kann die Elastomermembran in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt werden.
Insbesondere ist die mikrofluidische Vorrichtung zur Durchführung einer Amplifikationsreaktion, wie beispielsweise einer PCR-Reaktion oder einer rlTA- Reaktion eingerichtet. Die Einrichtung erfolgt durch das Vorlegen von für die Amplifikationsreaktion benötigte Reagenzien.
In dem Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird ein Fluid an der Übertrittsstelle von der Zulaufleitung auf das Array geleitet. Vorzugsweise wird die Übertrittsstelle von dem Fluid symmetrisch angeströmt. Wenn die Übertrittstelle als Ecke ausgeführt ist, dann bedeutet dies, dass eine Winkelhalbierende der Ecke insbesondere parallel zu einer Strömungsrichtung des Fluids verläuft. Wenn die Übertrittstelle mindestens eine Kerbe aufweist, dann verläuft die Kerbe insbesondere parallel zu der Strömungsrichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 a zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Figur 1 b zeigt eine Querschnittsansicht der Arraykammer gemäß Figur 1 a.
Figur 2a zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 2b zeigt eine Querschnittsansicht der Arraykammer gemäß Figur 2b.
Figur 3a zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 3b zeigt eine Querschnittsansicht der Arraykammer gemäß Figur 3a.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Eine mikrofluidische Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik kann als mikrofluidische Einwegkartusche ausgeführt sein. Ihre Arraykammer ist in den Figuren 1 a und 1 b dargestellt. Eine Zuleitung 11 mit einer Unterseite 12 ist dazu vorgesehen, um ein Fluid entlang einer Strömungsrichtung 13 in die Arraykammer 14 einzuleiten. In der Arraykammer 14 ist ein Array 20 angeordnet, welches beispielsweise als Silizium-Chip mit mehreren Vertiefungen in seiner Oberseite 21 ausgeführt ist. Ein Zwischenraum 15 verläuft zwischen dem Array 20 und den Seitenwänden der Arraykammer 14. Die Unterseite 12 der Zulaufleitung 11 ist niedriger positioniert als die Unterseite der Arraykammer 14. An der Mündung der Zulaufleitung 11 in die Arraykammer 14 findet daher eine stufenförmige Umleitung statt. Gegenüber der Mündung der Zulaufleitung 11 in die Arraykammer 14, mündet eine Ablaufleitung 16 in die Arraykammer 14. Die Oberfläche 21 des Arrays 20 ist quadratisch. Sowohl die Mündung der Zulaufleitung 11 als auch die Mündung der Ablaufleitung 16 ist jeweils der Mitte einer der Seiten des Arrays 20 zugewandt. Ein Fluid, das entlang der Strömungsrichtung 13 durch die Zulaufleitung 11 in die Arraykammer 14 einströmt, befüllt zunächst den Zwischenraum 15 und überspült dann die Oberseite 21 des Arrays 20. Ein Teil des Fluids sammelt sich dabei in den nicht dargestellten Vertiefungen im Array 20. Das restliche Fluid strömt durch die Ablaufleitung 16 aus der Arraykammer 14 ab.
Die Figuren 2a und 2b zeigen die Zulaufleitung 11 , die Arraykammer 14 und die Ablaufleitung 16 einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, weist die Zulaufleitung 11 keine stufenförmige Umleitung auf. Stattdessen ist sie so angeordnet, dass ihre Unterseite 12 in derselben Ebene liegt, wie die Oberseite 21 des Arrays 20. Außerdem sind die Arraykammer 14 und das Array 20 im Vergleich zu der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik um 45° gedreht. Das Array 20 wendet dadurch eine seiner Ecken 22 der Zulaufleitung 11 zu. Diese Ecke 22 fungiert als kantenförmige Übertrittsstelle an der ein durch die Zulaufleitung 11 einströmendes Fluid gestaut wird. Ein Eckwinkel a dieser Ecke 22, die als definierte Übertrittsstelle fungiert, beträgt 90°. Der Zwischenraum 15 ist bis zur Höhe der Oberseite 21 des Arrays 20 mit einem Kleber 30 befüllt. Anders als in der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik breitet sich das aus der Zulaufleitung 11 einströmende Fluid deshalb nicht zunächst im Zwischenraum 15 aus, sondern trifft direkt auf die Ecke 22, an der es gestaut wird, um sich dann gleichmäßig über die Oberseite 21 des Arrays 20 auszubreiten und diese zu überspülen. Ein Ablaufen von Fluid, welches sich nicht in den nichtdargestellten Vertiefungen des Arrays 20 sammelt, erfolgt wie im Stand der Technik über die Ablaufleitung 16.
Die Zulaufleitung 11 , die Arraykammer 14 und die Ablaufleitung 12 einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 3a und 3b dargestellt. Wie im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist die Zulaufleitung 11 so ausgeführt, dass ihre Unterseite 12 in derselben Ebene wie die Oberseite 21 des Arrays 20 liegt. Der Zwischenraum 15 ist genau so wie im ersten Ausführungsbeispiel mit einem Kleber 30 gefüllt. Die Arraykammer 14 und das Array 20 sind allerdings in der gleichen Weise wie in der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik so angeordnet, dass nicht eine Ecke 22, sondern eine Seite des Arrays 20 der Zulaufleitung 11 zugewandt ist. Vier parallele Kerben 23, die beispielsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, sind parallel zur Längsachse L der Zulaufleitung 11 in der Oberseite 21 des Arrays 20 ausgebildet. Diese sind so angeordnet, dass sie unmittelbar an der der Zulaufleitung 11 zugewandten Seite des Arrays 20 beginnen. Die beiden äußeren Kerben 23 stellen jeweils eine Verlängerung einer Seitenwand der Zulaufleitung 11 dar. Die beiden weiteren Kerben 23 sind so zwischen diesen beiden äußeren Kerben 23 angeordnet, dass alle benachbarten Kerben 23 jeweils einen gleichen Abstand aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt dieser Abstand 100 pm. Die Länge der Kerben beträgt jeweils 25 pm und ihre Tiefe beträgt jeweils 25 pm. Die vier Kerben 23 bilden gemeinsam eine kantenförmige Übertrittsstelle, an der ein einströmendes Fluid gestaut wird, bevor es auf das Array 20 übertritt.

Claims

Ansprüche
1 . Mikrofluidische Vorrichtung (10), aufweisend eine Zulaufleitung (11), die in einer Arraykammer (14) der mikrofluidischen Vorrichtung (10) mündet, wobei in der Arraykammer (14) ein Array (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (20) eine definierte Übertrittsstelle (22; 23) aufweist, die im Bereich der Zulaufleitung (11) angeordnet ist.
2. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittsstelle (22) eine Ecke (22) des Arrays (20) ist
3. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eckwinkel (a) der Ecke (22) 90° beträgt.
4. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittsstelle (23) als mindestens eine Kerbe (23) in einer Oberseite (21) des Arrays (20) ausgeführt ist.
5. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertrittstelle (23) mehrere insbesondere parallele Kerben (23) aufweist.
6. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum (15) zwischen dem Array (20) und Seitenwänden der Arraykammer (14) bis zu einer Oberseite (21) des Arrays (20) mit einem Füllmaterial (30) gefüllt ist.
7. Mikrofluidische Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterseite (12) der Zulaufleitung (11) sich in derselben Ebene befindet, wie eine Oberseite (21) des Arrays (20).
8. Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid an der Übertrittsstelle (22; 23) von der Zulaufleitung (11) auf das Array geleitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Übertrittsstelle von dem Fluid symmetrisch angeströmt wird.
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