Titel

Verfahren zum Befördern mindestens eines ersten Mediums innerhalb eines

Kanalsystems einer mikrofluidischen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Befördern mindestens eines ersten

Mediums innerhalb eines Kanalsystems einer mikrofluidischen Vorrichtung sowie eine mikrofluidische Vorrichtung zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens.

Stand der Technik

Mikrofluidische Systeme erlauben das Analysieren von kleinen Probenmengen mit einer hohen Sensitivität. Die Automatisierung, Miniaturisierung und

Parallelisierung der Prozesse erlauben zudem eine Reduktion von händischen Schritten, sowie eine Verminderung von dadurch verursachten Fehlern.

Die Miniaturisierung ermöglicht insbesondere das verlustfreie Prozessieren von kleinen Probenmengen. Darunter versteht man insbesondere Proben wie eine einzelne Zelle, sekretierte Proteine oder zellfreie DNA (cfDNA). Da das wenige Material in möglichst kleines Volumen überführt wird, ist die Konzentration dieser Stoffe höher, als in herkömmlichen Laborsystemen und somit in der Regel sensitiver in der Analyse. Das Aufbereiten einer solchen Probe erfolgt üblicherweise durch eine Kaskade von fluidischen Schritten, welche präzise kontrolliert sein sollten. Insbesondere peristaltische on-chip Pumpen erlauben in diesem Zusammenhang ein definiertes Bewegen von kleinen Volumina. Solche Pumpen sind präzise und können mit einem Rückkopplungssystem kombiniert werden. Es liegt allerdings in der Natur der peristaltischen Pumpe, dass ein kleines Teilvolumen mechanisch blockiert wird. Dies geschieht in einem Lab-on- Chip in der Regel durch Deformierung des Flusskanales. Die Häufigste

Ausführungsform dabei ist das Pressen einer Membran gegen die Kanalwand, wobei der Kanal geschlossen wird. Dabei entsteht die gewünschte Wirkung für die peristaltische Pumpe, aber es kann dabei auch in der Flüssigkeit befindliches Material gequetscht werden. Diese Quetschung ist für biologisches Material von negativer Auswirkung. Befindet sich eine Zelle direkt unter einem Pumpventil, wenn dieses geschlossen wird, können mehrere negative Effekte für die Zelle auftreten. Diese Effekte sind beispielsweise: (i) Zelle bleibt auf Membran kleben und wird nicht mehr weitergepumpt, (ii) Zelle wird lysiert (auch nur teillysiert) und geht als Analyt verloren, (iii) Zelle wird gestresst und sekretiert entsprechende Cytokine (sekretierte Botenstoffe), welche mit der eigentlichen Messung interferieren können, (iv) Zelltyp ändert sich (z.B. wechselt in apoptotischen Zustand).

Pumpventile sind auch beim Einsatz von funktionalisierten Beads (z.B.

magnetische Beads mit Antikörper) nicht von Vorteil, da diese durch die mechanische Bewegung der Ventile gefangen und gestört werden können oder die Ventilfunktion beinträchtigen. Diese Effekte führen dazu, dass solche Beads in Ventilsystemen in der Regel nicht eingesetzt werden und auf Filter

ausgewichen wird, welche die Komplexität des mikrofluidischen Aufbaus erhöhen. Pumpventile sind oft integraler Bestandteil eines mikrofluidischen Netzwerkes. Insbesondere in Netzwerken, bei welchen im Kreis gepumpt wird, muss das Analysematerial die Pumpventile passieren und ist somit der Gefahr der Interferenz bzw. nachteiligen Interaktion mit diesen Pumpventilen ausgesetzt.

Offenbarung der Erfindung

Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Befördern mindestens eines ersten Mediums innerhalb eines Kanalsystems einer mikrofluidischen Vorrichtung, umfassend zumindest folgende Schritte:

a) Bereitstellen des mindestens einen ersten Mediums an einem ersten Ort des Kanalsystems,

b) Befördern des mindestens einen ersten Mediums von dem ersten Ort an einen zweiten Ort des Kanalsystems mittels mindestens eines zweiten Mediums, welches an das mindestens eine erste Medium angrenzt, c) Ändern mindestens eines durchströmbaren Querschnitts des Kanalsystems zum Zwecke eines peristaltischen Pumpens nur dann, wenn dieser mindestens eine Querschnitt nicht von dem mindestens einen ersten Medium durchströmt wird.

Die hier vorgeschlagene Lösung erlaubt insbesondere das Bereitstellen eines dynamischen, optofluidisch kontrollierten Prozesses zum zerstörungsfreien Pumpen von Biomaterialien und/oder funktionalisierten Partikeln. Insbesondere wird ein dynamischer Pumpprozess beschrieben, der es erlaubt, Probematerial mit Partikeln, wie etwa Zellen und/oder funktionalisierte Beads peristaltisch zu Pumpen, ohne dass die Pumpmechanik einen negativen Einfluss auf das Probematerial, insbesondere die Partikel hat. Insbesondere kann störungsfrei im Kreis gepumpt werden. Vorteilhafterweise kann dieser Prozess mittels eines optischen Systems kontrolliert bzw. überwacht werden.

Vorzugsweise erfolgt ein Unterteilen eines Fluids in zwei Teilregionen. Dabei kann eine erste Teilregion mit dem ersten Medium und/oder eine zweite

Teilregion mit dem zweiten Medium gebildet werden. Die erste Teilregion kann hier auch als Proberegion bezeichnet werden. Die zweite Teilregion kann hier auch als Pumpregion bezeichnet werden. Dabei wird insbesondere ein

Zweiphasensystem (Öl/Wasser) eingesetzt und/oder gebildet. Pumpventile werden in der Regel nur aktuiert, wenn die Ölphase sich bei diesen befindet, bei der Wasserphase (inkl. Probe) wird nicht gepumpt.

Das mindestens eine erste Medium umfasst insbesondere Partikel, biologisches Material und/oder mindestens eine funktionalisierte Substanz. Beispielsweise kann das erste Medium mit einer Flüssigkeit gebildet sein, in welcher (ungelöste) Partikel, biologisches Material und/oder mindestens eine funktionalisierte Substanz enthalten sind. Bei der Flüssigkeit des ersten Mediums handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit auf Wasserbasis, vorzugsweise um Wasser oder eine wässrige Lösung. Bei den Partikeln bzw. dem biologischen Material kann es sich beispielsweise um biologische Zellen, zellfreie DNA, zirkulierende Krebszellen, sekretierte Zytokine und/oder Lysat von wenigen Zellen handeln.

Bei der funktionalisierte Substanz kann es sich beispielsweise um ein sog.

(funktionalisiertes) Bead handeln. Insbesondere handelt es sich hierbei um zu untersuchende Partikel bzw. zu untersuchendes biologisches Material. Das erste Medium kann (somit) beispielsweise eine zu untersuchende Probe enthalten oder sein.

Der Begriff„mikrofluidisch“ bezieht sich hier in der Regel auf die Größenordnung der mikrofluidischen Vorrichtung. Die mikrofluidische Vorrichtung ist

insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass in den darin angeordneten fluidischen Kanälen und Kammern physikalische Phänomene relevant sind, die im Allgemeinen der Mikrotechnik zugeordnet werden. Hierzu zählen

beispielsweise Kapillareffekte, Effekte (insbesondere mechanische Effekte) die im Zusammenhang mit Oberflächenspannungen des Fluids stehen. Hinzu zählen weiterhin Effekte wie Thermophorese und Elektrophorese. Diese Phänomene sind in der Mikrofluidik üblicherweise dominant gegenüber Effekten wie der Schwerkraft. Die mikrofluidische Vorrichtung kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass sie zumindest teilweise mit einem schichtweisen Verfahren hergestellt ist und Kanäle zwischen Schichten des Schichtaufbaus angeordnet sind. Der Begriff„mikrofluidisch“ kann auch über die Querschnitte innerhalb der

Vorrichtung charakterisiert werden, welche zur Führung des Fluids dienen. Üblich sind beispielsweise Querschnitte im Bereich von 100 pm [Mikrometer] mal 100 pm bis hin zu 800 pm mal 800 pm. Auch deutlich kleinere Querschnitte, beispielsweise im Bereich von 1 pm bis 20 pm [Mikrometer], insbesondere im Bereich von 3 pm bis 10 pm sind möglich.

Das Kanalsystem kann einen oder mehrere Kanäle umfassen. Vorzugsweise umfasst das Kanalsystem zumindest in einem zirkulären Bereich des

Kanalsystems vier Kanäle, die zu einem Rechteck miteinander verbunden sind und insbesondere wiederholt hintereinander durchströmbar sind. Die Kanäle sind in der Regel mikrofluidische Kanäle. Das Kanalsystem kann drüber hinaus eine oder mehrere Kammern umfassen oder zumindest mit diesen verbunden sein. Entsprechende Kammern können beispielsweise Probeneingabekammern, Analysekammern, Speicherkammern und/oder Beobachtungskammern sein.

In Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen des mindestens einen ersten Mediums an einem ersten Ort des Kanalsystems. Der erste Ort kann beispielsweise im einem Anschlussbereich liegen, in dem eine Probeneingabekammer an mindestens einen weiteren Kanal des Kanalsystems angeschlossen bzw. anschließbar ist. Das Bereitstellen kann insbesondere umfassen, dass das erste Medium an dem ersten Ort anliegt und/oder sich bis hin zu dem ersten Ort erstreckt. Im Bereich des ersten Orts kann beispielsweise ein Ventil vorgesehen sein, welches zum Beispiel beeinflussen kann, zu welchem Zeitpunkt und für welche Dauer das erste Medium den ersten Ort passieren kann.

Unter„Bereitstellen“ ist hier insbesondere zu verstehen, dass das mindestens eine erste Medium an den ersten Ort der mikrofluidischen Vorrichtung gebracht wird, beispielsweise durch Einfüllen des mindestens einen ersten Mediums durch eine Öffnung in die mikrofluidische Vorrichtung.„Bereitstellen“ umfasst beispielsweise aber auch, dass die mikrofluidische Vorrichtung mindestens ein erstes Medium bereits vor Beginn des beschriebenen Verfahrens enthielt. So kann beispielsweise eine mikrofluidische Vorrichtung von einem Lieferanten bezogen werden, in der das mindestens eine erste Medium bereits in einer Kammer vorgelagert ist. Auch ist es möglich, dass das mindestens eine erste Medium in Schritt a) durch Zusammengabe von mehreren Substanzen erhalten und insoweit bereitgestellt wird. So kann beispielsweise ein Lösungsmittel in der mikrofluidischen Vorrichtung vorgelagert sein. Bei Zugabe einer Probe in die mikrofluidische Vorrichtung kann die Probe mit dem Lösungsmittel versetzt werden. Die Lösung der Probe in dem Lösungsmittel kann das erste Medium sein.

In Schritt b) erfolgt ein Befördern des mindestens einen ersten Mediums von dem ersten Ort an einen zweiten Ort des Kanalsystems mittels mindestens eines zweiten Mediums, welches an das mindestens eine erste Medium angrenzt. In der Regel sind das mindestens eine erste Medium, das mindestens eine zweite Medium nicht miteinander mischbar.

In Schritt b) erfolgt mit anderen Worte insbesondere ein Transport des ersten Mediums durch die mikrofluidische Vorrichtung. Dabei kann das mindestens eine erste Medium besonders gut geschützt werden. Insbesondere dazu ist das mindestens eine erste Medium von dem mindestens einen zweiten Medium vorzugsweise derart umschlossen, dass das mindestens eine erste Medium nur an das mindestens eine zweite Medium und optional zusätzlich an

Fluidbegrenzungen der mikrofluidischen Vorrichtung angrenzt.

Als Fluidbegrenzung kommt hier insbesondere jede Wandung der

mikrofluidischen Vorrichtung in Betracht, die beispielsweise einen Kanal oder eine Kammer der mikrofluidischen Vorrichtung begrenzt. Medien wie das mindestens eine erste Medium und das mindestens eine zweite Medium können innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung insbesondere innerhalb der

Fluidbegrenzungen vorliegen und bewegt werden. Die Fluidbegrenzungen können an der dem zu begrenzenden Fluid insbesondere ein Material wie Glas und/oder Kunststoff aufweisen.

Das mindestens eine erste Medium kann in Schritt b) insbesondere davor geschützt werden, mit anderen Substanzen in Kontakt zu kommen. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem das mindestens eine erste Medium, soweit es nicht mit einer Fluidbegrenzung in Kontakt steht, nur mit dem mindestens einen zweiten Medium in Kontakt steht. Dadurch, dass das mindestens eine erste Medium und das mindestens eine zweite Medium in der Regel nicht miteinander mischbar sind, kann das mindestens eine erste Medium ohne Veränderung durch Kontakt mit dem zweiten Medium transportiert werden. Das mindestens eine zweite Medium kann insbesondere als ein Hilfsmittel für den Transport des mindestens einen ersten Mediums aufgefasst werden. Nach dem Transport können das mindestens eine erste Medium und das mindestens eine zweite Medium voneinander getrennt werden.

Das mindestens eine zweite Medium ist vorzugsweise ein Öl. Auch ist bevorzugt, dass das mindestens eine zweite Medium eine organische Substanz ist.

Insbesondere ist es bevorzugt, dass das mindestens eine erste Medium polar und das mindestens eine zweite Medium unpolar ist. Das ist beispielsweise bei Wasser als erstem Medium und Öl als zweitem Medium der Fall. Als wässrige Lösung kann Wasser versetzt mit klassischen Attributen wie Tween, Triton-X, BSA und/oder Calcium für das erste Medium eingesetzt werden. Als mögliche zweite Medien können insbesondere inerte Mineralöle, Silikonöle und/oder fluorierte Öle eingesetzt werden. Auf den Einsatz von Tensiden wird

vorzugsweise verzichtet.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann insbesondere ein definiertes Volumen einer wässrigen Phase (als dem mindestens einen ersten Medium) in einer Ölphase (als dem mindestens einen zweiten Medium) eingeschlossen werden und kontrolliert bewegt werden. Beispielsweise kann dabei ein sich in der wässrigen Phase befindender Analyt in einer limitierten, kleinen Menge vorliegen und Verlust- und verdünnungsfrei in der mikrofluidischen Vorrichtung prozessiert werden.

Durch den Einsatz des mindestens einen zweiten Mediums (insbesondere einer organischen Phase) kann das mindestens eine erste Medium (insbesondere ein wässriges Volumen) so eingeschlossen werden, dass sich beispielsweise ein limitierter Analyt in dem mindestens einen ersten Medium nicht durch Ablagerung oder Diffusion verdünnt. Es ist somit insbesondere ein verlustfreier Transport von limitierten Probematerialien (als erstem Medium) möglich. So kann zum Beispiel ein lokal in einem mikrofluidisch kleinen Volumen erzeugtes Lysat aus wenigen Zellen von einer Eingabekammer an eine andere Stelle in der mikrofluidischen Vorrichtung transportiert werden, um es biochemisch zu verarbeiten. Der verlustfreie Transport von limitiertem Material wie DNA, Proteinen und/oder einzelnen Zellen kann ein Design einer mikrofluidschen Prozessiereinheit ermöglichen, indem beispielsweise ein Heizer oder optische Einheiten an einer anderen Stelle als eine Probeeingabe vorgesehen sind. Dies kann ein besonders universelles Design der mikrofluidischen Vorrichtung ermöglichen.

Vorzugsweise ist das Volumen bzw. die Menge des zweiten Mediums in der Vorrichtung und/oder in dem Kanalsystem konstant. Dies wird hier beispielhaft auch als Konservierung der Pumpregion bezeichnet. Beispielsweise kann ein Ausgleichsbehält bzw. eine Kammer in dem Kanalsystem vorgesehen und/oder mit diesem verbunden sein, der bzw. die es ermöglicht, Volumen bzw. die Menge des zweiten Mediums in der Vorrichtung und/oder in dem Kanalsystem konstant zu halten. Weiterhin bevorzugt werden vorzugsweise definierte Teilvolumina bzw. Teilmengen des zweiten Mediums in der Vorrichtung und/oder in dem

Kanalsystem im Kreis gefördert bzw. zirkuliert.

Weiterhin bevorzugt wird ein an dem ersten Ort bereitgestelltes Gesamtvolumen bzw. eine Gesamtmenge des ersten Mediums zum Transport hin zu dem zweiten Ort in mehrere (kleinere) insbesondere definierte Teilvolumina bzw. Teilmengen des ersten Mediums unterteilt. Besonders bevorzugt erfolgt das Unterteilen unter Verwendung der vorzugsweise definierten Teilvolumina bzw. Teilmengen des zweiten Mediums und/oder einer vorbestimmten Ventilbetätigung insbesondere in einem zirkulären Bereich des Kanalsystems. Besonders bevorzugt wird an dem zweiten Ort das Gesamtvolumen bzw. die Gesamtmenge des ersten Mediums (möglichst verlustfrei) wieder zusammengebracht, insbesondere indem die einzelnen Teilvolumina bzw. Teilmengen des ersten Mediums (sukzessive) zu dem Gesamtvolumen bzw. die Gesamtmenge des ersten Mediums

zusammengefügt werden. Dabei sollte zwischen den am zweiten Ort

zusammengefügten Teilvolumina bzw. Teilmengen des ersten Mediums möglichst wenig oder sogar möglichst kein erstes Medium vorliegen.

Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch ermöglicht werden, dass die

Teilvolumina des zweiten Mediums (verlustfrei) in einem zirkulären Bereich der Vorrichtung und/oder des Kanalsystems im Kreis gefördert werden und an einem Punkt des Kreises (dem ersten Ort) jeweils ein Teilvolumen des ersten Mediums zwischen zwei Teilvolumina des zweiten Mediums angeordnet (insbesondere in den Kreis eingesaugt) und an einem weiteren Punkt des Kreises (dem zweiten Ort) die Teilvolumina des ersten Mediums wieder abgegeben (insbesondere aus dem Kreis ausgestoßen) werden. Dabei muss der Kreis nicht die form eines geometrischen Kreises beschreiben.

In Schritt c) erfolgt ein Ändern mindestens eines durchströmbaren Querschnitts des Kanalsystems zum Zwecke eines peristaltischen Pumpens nur dann, wenn dieser mindestens eine Querschnitt nicht von dem mindestens einen ersten Medium durchströmt wird. Insbesondere erfolgt ein Ändern mindestens eines durchströmbaren Querschnitts des Kanalsystems zum Zwecke eines

peristaltischen Pumpens nur dann, wenn dieser mindestens eine Querschnitt von dem mindestens einen zweiten Medium und/oder einem dritten Medium durchströmt wird.

Der mindestens eine durchströmbare Querschnitt des Kanalsystems wird insbesondere durch ein Betätigen mindestens eines Ventils geändert, insbesondere reduziert und/oder erweitert. Das mindestens eine Ventil ist dabei in der Regel zumindest teilweise in dem Kanalsystem angeordnet. Zum Zwecke des peristaltischen Pumpens ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens zwei oder sogar mindestens drei (unmittelbar) zueinander benachbarte,

durchströmbare Querschnitte des Kanalsystems geändert werden. In diesem Zusammenhang können beispielsweise zur Bewirkung eines peristaltischen Pumpens von Fluid durch das Kanalsystem mindestens zwei oder sogar mindestens drei (unmittelbar) zueinander benachbarte Ventile, insbesondere in bzw. mit einem Pumpmodus betätigt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Ändern des mindestens einen durchströmbaren Querschnitts des Kanalsystems zum Zwecke des peristaltischen Pumpens mit mindestens einem Ventil durchgeführt wird.

Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Peristaltik mit Ventilen erreicht wird. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn drei (miteinander zusammenwirkende) Ventile eine peristaltische Pumpe bilden.

Unter peristaltischem Pumpen ist hier eine Pumpe zu verstehen, die eine Flüssigkeit mit Hilfe von Peristaltik fördert. Eine typische Peristaltikpumpe ist eine Schlauchpumpe, auch Schlauchquetschpumpe genannt. Peristalikpumpen sind Verdrängerpumpen, bei denen das zu fördernde Medium durch eine äußere mechanische Verformung durch einen Kanal hindurchgedrückt wird.

Mikrofluidische Peristaltikpumpen können durch eine Mehrzahl von Ventilen aufgebaut sein. Häufig eingesetzte mikrofluidische Ventile umfassen einen Kanal, der durch eine Bewegung der Kanalwand in Folge einer elektrischen Kraft oder einer magnetischen Kraft verschließbar ist. Solche Ventile erzeugen eine (innere) Volumenveränderung des Kanals. Wenn solche Ventile in einer

Serienschaltung entlang eines Kanals angeordnet sind, kann durch eine geeignete Ansteuerung der Ventile erreicht werden, dass eine Peristaltik des Kanals auftritt, welche eine Förderung der Flüssigkeit bewirkt. Durch das Öffnen und Schließen der Ventile treten Volumenveränderungen eines Kanals auf, durch welche ein Transport eines Mediums durch den Kanal der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt. Eine peristaltische Pumpe hat den Vorteil, dass dafür keine (anderen) pumpenden Elemente neben den Ventilen (beispielsweise mechanisch oder elektrisch arbeitende Pumpenkammern) benötigt werden. Es genügt, dass die Mehrzahl der Ventile vorgesehen ist.

Für das peristaltische Pumpen ist es bevorzugt, dass die Möglichkeit einer (automatischen) Ventilschaltung besteht, gemäß welcher die Ventile

automatisiert in einer zur Förderung geeigneten Reihenfolge angesteuert werden. Eine Möglichkeit für eine solche Ansteuerung wird hier am Beispiel von drei (unmittelbar) nebeneinander liegenden Ventilen beschrieben, die durch serielles Öffnen und Schließen eine peristaltische Pumpe bilden. Dabei wird zur Veranschaulichung der jeweilige Ventilstatus digital dargestellt, indem

beispielsweise eine„1“ für„geöffnet“ und eine„0“ für„geschlossen“ steht. Die Ventilstatusabfolge 100, 110, 010, 011, 001, 101 erzeugt in der Regel eine Bewegung von links nach rechts. Die Abfolge 001, 011, 010, 110, 100, 101 erzeugt in der Regel einen Fluss von rechts nach links.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in dem Kanalsystem angeordnete Ventile zum Zwecke eines peristaltischen Pumpens nicht auf das erste Medium einwirken. Bevorzugt wirken die Ventile nur auf das zweite Medium ein. Weiterhin bevorzugt wirken die Ventile nur auf das zweite Medium oder ein drittes Medium ein. Insbesondere wird eine Betätigung eines Ventils gestoppt, wenn sich ein Volumen des ersten Mediums auf das Ventil zubewegt und (unmittelbar) vor Erreichen des Ventils ist und/oder wenn sich ein Volumen des ersten Mediums innerhalb des durchströmbaren

Querschnitts des Ventils befindet. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine erste Medium dadurch in einen zirkulären Bereich des

Kanalsystems gesogen wird, dass zumindest ein Teil des mindestens einen zweiten Mediums von dem ersten Ort des Kanalsystems weg strömt. Bevorzugt wird hierbei der Weg hin zu dem ersten Ort innerhalb des zirkulären Bereichs blockiert. Weiterhin bevorzugt wird zweites Medium, welches sich stromab des ersten Ort innerhalb des zirkulären Bereich befindet, hin zu einer Kammer für das zweite Medium befördert, sodass das sich stromab des ersten Orts befindliche Volumen des zweiten Mediums innerhalb des zirkulären Bereichs abnimmt und dadurch das erste Medium in den zirkulären Bereichs bzw. einen den zirkulären Bereichs (mit) bildenden Kanal des Kanalsystems eingesaugt wird. Der erste Ort kann mit anderen Worten auch einen Zulauf bzw. Einlass für das erste Medium in den zirkulären Bereich darstellen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil des mindestens einen zweiten Mediums in einem (dem) zirkulären Bereich des Kanalsystems zirkuliert. Vorzugsweise zirkulieren insbesondere (vor-)definierte Teilvolumina des zweiten Mediums durch den zirkulären Bereich. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Teilvolumina wiederholt in eine mit dem zirkulären Bereich verbundene Kammer für das zweite Medium hinein und wieder heraus (zurück in den zirkulären Bereich) gefördert werden. Besonders bevorzugt ist bzw. bleibt das Gesamtvolumen des zweiten Mediums in der Vorrichtung (im Wesentlichen) konstant.

Ein zirkulärer bzw. kreisförmiger Verlauf oder ein Fördern„im Kreis“ kann hier mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass die Ausgestaltung des Kanalsystems in diesem Bereich dazu geeignet sein sollte, dass (ggf. auch in Abhängigkeit von Ventilstellungen) ein bestimmtes Volumen des Mediums bzw. Fluids und/oder ein bestimmter (sich mit dem Fluss bzw. der Strömung mit bewegender) Bereich des Medium- Flusses bzw. der Fluidströmung bei ununterbrochenem Fluss wiederholt denselben Ort passieren kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Teilbereich eines (des) zirkulären Bereichs des Kanalsystems während eines regulären Betriebs der Vorrichtung nicht von dem mindestens einen ersten Medium durchströmt wird. Bevorzugt wird derjenige Teilbereich, in dem sich Ventile befinden nicht von dem mindestens einen ersten Medium durchströmt. Vorzugsweise wird der Teilbereich nur von dem zweiten Medium und/oder einem dritten Medium durchströmt. Weiterhin bevorzugt befindet sich in dem Teilbereich während des regulären Betriebs stets zweites Medium und/oder ein drittes Medium. Unter„regulärem“ Betrieb wird hier insbesondere ein Betrieb der Vorrichtung ohne Ausfälle von Ventilen verstanden.

In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, dass zumindest der erste Ort oder der zweite Ort stromab beziehungsweise stromauf des Teilbereichs liegen. Vorzugsweise liegt der erste Ort unmittelbar stromab des Teilbereichs. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Teilbereich unmittelbar (in regulärer Strömungsrichtung durch den zirkulären Bereich) vor und/oder an dem ersten Ort endet. Weiterhin bevorzugt liegt der zweite Ort unmittelbar stromauf des Teilbereichs. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Teilbereich unmittelbar (in regulärer Strömungsrichtung durch den zirkulären Bereich) nach und/oder an dem zweiten Ort endet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine erste Medium dadurch aus einem zirkulären Bereich des Kanalsystems ausgetragen wird, dass zumindest ein Teil des mindestens einen zweiten Mediums auf den zweiten Ort des Kanalsystems zu strömt. Bevorzugt wird hierbei der Weg stromab des zweiten Orts bzw. weg von dem zweiten Ort innerhalb des zirkulären Bereichs blockiert, wenn das erste Medium an dem zweiten Ort ankommt. Dies trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, dass das erste Medium den zirkulären Bereich hin zu dem zweiten Ort verlassen muss und nicht weiter (insbesondere nicht in den oben beschriebene Teilbereich) in dem zirkulären Bereich strömen kann. Dabei schiebt das zweite Medium das erste Medium in der Regel vor sich her und aus dem zirkulären Bereich heraus. Der zweite Ort kann mit anderen Worten auch einen Ablauf bzw. Auslass für das erste Medium aus dem zirkulären Bereich darstellen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Befördern des mindestens einen ersten Mediums optisch überwacht wird.

Bevorzugt wird das Befördern des mindestens einen ersten Mediums maschinell optisch überwacht. Besonders bevorzugt erfolgt das optische Überwachen mittels mindestens eines optischen Sensors, wie etwa einer Kamera. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Befördern des mindestens einen ersten Mediums über einen Füllgrad einer mit dem Kanalsystem verbundenen Kammer überwacht wird. Bevorzugt wird der Füllgrad optisch erfasst bzw. detektiert, beispielsweise mit einer Kamera, die auf die Kammer (mit zumindest abschnittsweise transparenter bzw. durchsichtiger Kammerwand) gerichtet ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Befördern des mindestens einen ersten Mediums über mindestens ein drittes Medium, welches an das mindestens eine zweite Medium angrenzt, überwacht wird. In der Regel ist das dritte Medium nicht mit dem ersten Medium und/oder dem zweiten Medium mischbar. Bevorzugt ist ein insbesondere (vor-)definiertes Volumen des dritten Mediums durch ein insbesondere (vor-)definierten Volumen des zweiten Mediums von dem ersten Medium getrennt und/oder beabstandet, insbesondere von einem (vor-)definierten Volumen des ersten Mediums getrennt und/oder beabstandet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem dritten Medium um einen Farbstoff. Dessen Farbe unterscheidet sich in der Regel von der Farbe des zweiten Mediums und/oder des ersten Mediums. Als Farbstoffe eignen sich insbesondere Dextrane, vorzugsweise solche, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert sind. Alternativ oder kumulativ können als Farbstoffe beispielsweise (reine) Fluorophore eingesetzt werden.

Das dritte Medium kann beispielweise in einer Speicherkammer vorgelagert sein. Weiterhin kann das Kanalsystem derart eingerichtet sein, dass das dritte Medium die Speicherkammer hin zu einer Beobachtungkammer verlässt, wenn erstes Medium in eine Analysekammer strömt. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn das Volumen des dritten Mediums, welches in die Beobachtungskammer strömt, proportional zu dem Volumen des ersten Mediums ist, das in die

Analysekammer strömt. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise einen einfachen Rückschluss auf den Füllgrad des Analysekammer, wenn (nur) der Füllgrad der Beobachtungskammer überwacht werden kann.

Besonders bevorzugt wird das Befördern des mindestens einen ersten Mediums über einen optisch erfassten Füllgrad eines an das mindestens eine zweite Medium angrenzenden dritten Mediums in einer mit dem Kanalsystem

verbundenen Kammer überwacht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine Analysekammer bzw. ein Füllgrad des ersten Mediums in einer Kammer nicht (unmitelbar) optisch erfasst werden kann. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass dies zu einer mitelbaren Erfassung Füllgrad des ersten Mediums in einer Kammer beitragen kann.

Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine mikrofluidische Vorrichtung vorgeschlagen, die zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere sind Ventile der mikrofluidischen Vorrichtung derart angeordnet und/oder angesteuert, dass diese nicht von dem ersten Medium durchströmt werden und/oder den Fluss des ersten Mediums durch diese Ventile nicht stören. Vorzugsweise sind zumindest einige der Ventile so angeordnet, dass sich nicht von erstem Medium durchströmt werden. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn zumindest einige der Ventile so angesteuert sind, dass sie den Fluss des ersten Mediums durch diese Ventile nicht stören.

Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich insbesondere um ein sogenanntes„Lab on a Chip“ bzw. um ein„Point-of-care“ System (PoC) handeln. Ein solches„Lab on a Chip“ ist dazu bestimmt und eingerichtet, biochemische Prozesse durchzuführen. Das bedeutet, dass Funktionalitäten eines

makroskopischen Labors z. B. in ein Kunststoffsubstrat integriert werden. Die mikrofluidische Vorrichtung kann z. B. Kanäle, Reaktionskammern, vorgelagerte Reagenzien, Ventile, Pumpen und/oder Aktuations-, Detektions- und

Steuereinheiten aufweisen. Die mikrofluidische Vorrichtung kann ermöglichen, biochemische Prozesse vollautomatisch zu prozessieren. Damit können z. B. Tests an flüssigen Proben durchgeführt werden. Derartige Tests können z. B. in der Medizin Anwendung finden. Die mikrofluidische Vorrichtung kann auch als eine mikrofluidische Kartusche bezeichnet werden. Insbesondere durch Eingabe von Proben in die mikrofluidische Vorrichtung können in der mikrofluidischen Vorrichtung biochemische Prozesse durchgeführt werden. Dabei können den Proben auch zusätzliche Substanzen beigemischt werden, die biochemische Reaktionen auslösen, beschleunigen und/oder ermöglichen.

Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Vorrichtung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen. Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden

nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,

Fig. 2: eine beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Vorrichtung,

Fig. 3: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Vorrichtung,

Fig. 4: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Vorrichtung,

Fig. 5: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Vorrichtung,

Fig. 6: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Vorrichtung,

Fig. 7: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Vorrichtung,

Fig. 8: eine beispielhafte Implementierung eines hier vorgeschlagenen

Verfahrens in ein optofluidisches System, und

Fig. 9: eine Detailansicht der Systems nach Fig. 8.

Fig. 1 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zum Befördern mindestens eines ersten Mediums 1 innerhalb eines Kanalsystems 2 einer mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ergibt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf. Darüber hinaus können die Schritte a), b) und c) auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. In Block 110 erfolgt ein Bereitstellen des mindestens einen ersten Mediums 1 an einem ersten Ort 6 des Kanalsystems 2, der beispielsweise in Fig. 5b) bezeichnet ist und welche allgemein einen

Anschlusspunkt, einen Anschluss bzw. eine Einmündung in das Kanalsystem 2 bildet. In Block 120 erfolgt ein Befördern des mindestens einen ersten Mediums 1 von dem ersten Ort 6 an einen zweiten Ort 7 des Kanalsystems 2 mittels mindestens eines zweiten Mediums 4, welches an das mindestens eine erste Medium 1 angrenzt. In Block 130 erfolgt ein Ändern mindestens eines

durchströmbaren Querschnitts des Kanalsystems 2 zum Zwecke eines peristaltischen Pumpens nur dann, wenn dieser mindestens eine Querschnitt nicht von dem mindestens einen ersten Medium 1 durchströmt wird.

Fig. 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Arbeitsweise einer hier

vorgeschlagenen mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die Ausführungen zu der vorangehenden Figur vollumfänglich Bezug genommen werden kann.

Fig. 2 veranschaulicht beispielhaft ein Grundprinzip der hier vorgestellten

Lösung. Das zu pumpende Fluid, welches das erste Medium 1 und das zweite Medium 4 umfasst, ist hierbei ein Zweiphasensystem. Das zu pumpende Fluid wird dabei in zwei (den Phasen entsprechende) Regionen unterteilt, nämlich eine mit dem ersten Medium 1 gebildete Proberegion und eine mit dem zweiten Medium 4 gebildete Pumpregion. Dies bedeutet mit anderen Worten

insbesondere, dass der Abschnitt des Fluids und/oder der Erstreckung des Fluids durch das Kanalsystem 2, in dem sich das erste Medium 1 befindet, als

Proberegion bezeichnet wird und derjenige, in dem sich das zweite Medium 4 befindet, als Pumpregion bezeichnet wird.

Die Proberegion bzw. das erste Medium 1, in welchem sich der Analyt, hier beispielhaft in Form von Partikeln 13, befindet und welches oft nur ein kleines Volumen ist, ist der Teil des Fluids, auf den keine Pumpventile einwirken sollen. Befindet sich die Proberegion bzw. das erste Medium 1 in der Nähe oder direkt unter einem Ventil 8, wird dieses nicht aktuiert bzw. verbleibt in der Stellung, in welches es sich in diesem Moment befindet oder wird möglichst schnell

(vollständig) geöffnet (d.h. in eine (vollständig) geöffnete Ventilstellung überführt), damit möglichst keine Schäden an der Probe, hier an den Partikeln 13, durch Ventile 8 entstehen. Der restliche Teil des Fluids ist die Pumpregion bzw. das zweite Medium 4. Dies ist hier beispielsweise eine organische Phase

(vorzugsweise ein inertes Öl) auf welche Ventile 8 angreifen dürfen und zum Pumpen benutzt werden können. Die Proberegion bzw. der Bereich des ersten Mediums 1 muss nicht zwingend zusammenhängend sein, sondern kann auch von mehreren Pumpregionen bzw. Bereichen mit zweitem Medium 4 getrennt werden. Die Ventilstellungen der Ventile 8 werden in den Figuren (einheitlich) wie folgt gekennzeichnet: Ein Kreuz bzw.„X“ steht für ein (vollständig) geschlossenes Ventil, d.h. ein Ventil, welches sich in einer (vollständig) geschlossenen

Ventilstellung befindet. Ein Kreis bzw.„O“ steht für ein (vollständig) offenes Ventil, d.h. ein Ventil, welches sich in einer (vollständig) geöffneten Ventilstellung befindet. Ein Kreis bzw.„O“ mit einem Pfeil oder nur ein Pfeil steht für ein pumpendes Ventil, d.h. ein Ventil, welches sich in einem Pumpmodus befindet. Zum Pumpen ist dabei in der Regel ein Zusammenwirken von mindestens drei (unmittelbar) benachbarten Ventilen 8 vorgesehen bzw. besonders vorteilhaft.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die Ausführungen zu den vorangehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.

In Fig. 3 ist beispielhaft veranschaulicht, dass das Ändern des mindestens einen durchströmbaren Querschnitts des Kanalsystems 2 zum Zwecke des

peristaltischen Pumpens mit mindestens einem Ventil 8 durchgeführt wird.

Hierbei bilden beispielhaft drei (unmittelbar) benachbarte Ventile 8 zusammen jeweils eine peristaltische Pumpe. Alle Ventile 8 befinden sich gemäß der Darstellung nach Fig. 3 in einem Pumpmodus. Weiterhin ist in Fig. 2

beispielweise veranschaulicht, dass in dem Kanalsystem 2 angeordnete Ventile 8 zum Zwecke eines peristaltischen Pumpens nicht auf das erste Medium 1 einwirken. Es ist zu erkennen, dass die sich im Pumpmodus befindlichen Ventile 8 nur auf das zweite Medium 4 einwirken.

In Fig. 3 wird in diesem Zusammenhang eine mögliche Pumpabfolge in einem Kanal 2 mit dem in Fig. 2 beispielhaft veranschaulichten Fluidsystem

beschrieben. Diese zeigt einen Kanal 2 mit acht Ventilen 8, welche zum peristaltischen Pumpen benutzt werden können. Für eine Pumpe werden minimal drei Pumpventile verwendet. Nähert sich nun die Proberegion bzw. das erste Medium 1 der ersten Ventilgruppe, d.h. den oberen drei (unmittelbar)

benachbarten Ventilen 8 (vgl. Fig. 3a), werden diese ausgeschaltet (siehe Fig. 3b). Fließt die Pumpregion bzw. das zweite Medium 4 wieder bei diesen Ventilen 8, werden diese wieder aktiviert bzw. in einen Pumpmodus überführt (siehe Fig. 3c). Durch die Lage und entsprechende Zusammensetzung der beiden Regionen bzw. Medien 1, 4, stehen zum Pumpen immer genügend Ventile 8 zur Verfügung, ohne dass die Proberegion bzw. das erste Medium 1 durch Pumpventile gestört werden muss.

Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die Ausführungen zu den vorangehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.

Gemäß der Darstellung nach Fig. 4 ist gezeigt, dass das Kanalsystem 2 einen zirkulären Bereich 5 aufweist. In dem zirkulären Bereich 5 verlaufen Kanäle des Kanalsystems 2 kreisförmig, erlauben somit (je nach Ventilstellung) ein Fördern von Medium bzw. Fluid im Kreis, mit anderen Worten ein zirkulieren von Medium bzw. Fluid durch die Kanäle, welche den zirkulären Bereich 5 des Kanalsystems 2 bilden. Ein zirkulärer bzw. kreisförmiger Verlauf oder ein Fördern„im Kreis“ setzt im Zusammenhang mit der hier vorgeschlagenen Lösung jedoch nicht zwingend eine geometrische Kreisform bzw. einen gebogenen Verlauf von Kanälen voraus. Vielmehr können die Kanäle auch in der Art eines Rechtecks angeordnet sein, wie dies beispielsweise auch in Fig. 4 veranschaulicht ist. Ein zirkulärer bzw. kreisförmiger Verlauf oder ein Fördern„im Kreis“ kann hier folglich mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass die Ausgestaltung des Kanalsystems 2 in diesem Bereich dazu geeignet sein sollte, dass (ggf. auch in Abhängigkeit von Ventilstellungen) ein bestimmtes Volumen des Mediums bzw. Fluids und/oder ein bestimmter (sich mit dem Fluss bzw. der Strömung mit bewegender) Bereich des Medium- Flusses bzw. der Fluidströmung bei ununterbrochenem Fluss wiederholt denselben Ort passieren kann.

In diesem Zusammenhang ist in Fig. 4 eine Pumpsukzession in einem zirkulären Netzwerk von Kanälen 5 veranschaulicht. Auch hier pumpen Ventile 8 nur, wenn die Pumpregion bzw. das zweite Medium 4 sich bei den Ventilen 8 befindet. Wie schon erwähnt, kann die Proberegion auch in mehre Proberegionen, getrennt durch Pumpregionen aufgeteilt werden.

Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die Ausführungen zu den vorangehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann. Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für ein Kanalsystem 2 mit einem zirkulären Bereich 5. Es ist zu erkennen, dass (je nach Stellung der Ventile 8) zumindest ein Teil des mindestens einen zweiten Mediums 4 in dem zirkulären Bereich 5 des Kanalsystems 2 zirkulieren kann bzw. zirkuliert werden kann.

In Fig. 5a ist beispielhaft veranschaulicht, dass das mindestens eine erste Medium 1 dadurch in einen zirkulären Bereich 5 des Kanalsystems 2 gesogen werden kann, dass zumindest ein Teil des mindestens einen zweiten Mediums 4 von dem ersten Ort 6 des Kanalsystems 2 weg strömt. Insbesondere im

Zusammenhang mit Fig. 5b ist zudem beispielsweise veranschaulicht, dass ein (und beispielhaft welcher) Teilbereich 9 des zirkulären Bereichs 5 des

Kanalsystems 2 während des regulären Betriebs der Vorrichtung 3 nicht von dem mindestens einen ersten Medium 1 durchströmt werden soll. In diesem

Zusammenhang ist auch zu erkennen, das hier beispielhaft der erste Ort 6 und der zweite Ort 7 stromab beziehungsweise stromauf des Teilbereichs 9 liegen.

Anhand von Fig. 5c wird beispielsweise veranschaulicht, dass das mindestens eine erste Medium 1 dadurch aus dem zirkulären Bereich 5 des Kanalsystems 2 ausgetragen werden kann, dass zumindest ein Teil des mindestens einen zweiten Mediums 4 auf den zweiten Ort 7 des Kanalsystems 2 zu strömt. Dabei schiebt das zweite Medium 4 das erste Medium 1 gemäß der Darstellung nach Fig. 5c vor sich her.

Fig. 5 veranschaulicht insbesondere eine Ausführungsvariante der hier vorgestellten Lösung, in welcher eine kontrollierte, automatische

Regionenaufteilung erfolgen und die Probelösung bzw. das Medium 1 störungsfrei und verlustfrei transportiert werden kann. Hierzu weist das die Vorrichtung eine zirkuläre Einheit, insbesondere das Kanalsystem 2 einen zirkulären Bereich 5 auf, welche bzw. welcher grundsätzlich beliebig zwischen einer Probeeingabekammer und einer Zielbestimmungskammer der Probe, wie etwa einer Analysekammer eingebaut werden kann.

In Fig. 5a ist ein erster Schritt veranschaulicht, in dem das Probematerial bzw. das erste Medium 1 zur zirkulären Einheit bzw. dem zirkulären Bereich 5 des Kanalsystems 2 angezogen wird. Dabei wird von einer hier nicht näher dargestellten Probeeingabe, welche sich stromauf des ersten Orts 6 befindet, zu einem hier nicht näher dargestellten Ölreservoir gepumpt, das mit dem in Fig. 5 links unten dargestellten Ende des Kanalsystems 2 verbunden ist. Das

Ölreservoir kann beispielsweise mit einer hier nicht näher dargestellten Kammer (vgl. Fig. 6, Kammer 10) gebildet sein, in der zweites Medium 4 bereitgehalten werden kann. Bei dem zweiten Medium 4 handelt es sich hier somit beispielhaft um Öl. Mit anderen Worten bildet das zweiten Medium 4 eine Ölphase mittels der das erste Medium 1 befördert werden kann.

Befindet sich die Probe in dem zirkulären Bereich 5, wird in einem weiteren (zweiten) Schritt, der in Fig. 5b veranschaulicht ist, der Pumpvorgang gestoppt und folgend die Pumpkonstellation wie in Fig. 5 c veranschaulicht in einem weiteren (dritten) Schritt geändert, sodass aus dem Ölreservoir zu einer hier nicht näher dargestellten Probenbestimmungskammer gepumpt wird. Die

Probenbestimmungskammer ist an dem zweiten Ort 7 mit dem zirkulären Bereich 5 verbunden.

Erreicht die Pumpregion (Ölphase) bzw. das zweite Medium 4 den unteren, rechten Rand der Pumpregion bzw. des zirkulären Bereichs 5, wie in Fig. 5d gezeigt, werden die Pumpen (erneut) gestoppt. In Fig. 5e ist veranschaulicht, dass nun wieder mit dem ersten Schritt (gemäß Fig. 1) gepumpt wird, wieder die Konstellation gemäß dem zweiten Schritt bzw. Fig. 5b erreicht ist, dass gemäß Fig. 5f wieder die Konstellation aus dem dritten Schritt bzw. Fig. 5c angewandt werden kann. Dies kann solange wiederholt werden, bis die gesamte

Proberegion bzw. das gesamte erste Medium 1, die zirkuläre Einheit bzw. den zirkulären Bereich 5 passiert hat.

Die Pumpventile befinden sich dabei insbesondere im linken und untern Kanal des zyklischen Systems (gemäß der Darstellung nach Fig. 5). Diese sind hier permanent mit Öl bzw. zweitem Medium 4 gefüllt und bestehen insbesondere nur aus Pumpphase. Rückfluss von Probematerial bzw. erstem Medium 1 in diese Region sollte vermieden werden.

Hierzu kann auch beitragen, hier nicht näher dargestellte Ventile im

Zubringerkanal (stromauf des ersten Ortes 6) sowie Wegbringerkanal (stromab des zweiten Ortes 7) entsprechend zu schießend. Insbesondere da zu erwarten ist, dass die Probe sich in einem beschränkten Volumen des ersten Mediums 1 befindet und zwischen zwei Ölphasen bzw. zwei Abschnitten mit zweitem Medium 4 eingeschlossen wird, können diese Ventile geschlossen werden.

Die Anzahl der benötigten Pumpschritte kann beispielsweise durch die feste Geometrie der Kanäle kontrolliert werden. Zudem ist die Pumpregion bzw. das zweite Medium 4 in dem Beispiel nach Fig. 5 konserviert und pendelt zwischen zwei Endpositionen während dem Pumpvorgang.

Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die Ausführungen zu den vorangehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.

In Fig. 6 ist beispielhaft veranschaulicht, dass das Befördern des mindestens einen ersten Mediums 1 optisch überwacht werden kann. Weiterhin ist hier gezeigt, dass das Befördern des mindestens einen ersten Mediums 1 über einen Füllgrad 12 einer mit dem Kanalsystem 2 verbundenen Kammer 10 überwacht werden kann. Zudem ist in Fig. 6 beispielhaft gezeigt, dass das Befördern des mindestens einen ersten Mediums 1 über mindestens ein drittes Medium 11, welches an das mindestens eine zweite Medium 4 angrenzt, überwacht werden kann.

Insbesondere wird bei der beispielhaften Arbeitsweise nach Fig. 6 das Befördern des mindestens einen ersten Mediums 1 über einen optisch erfassten Füllgrad 12 eines an das mindestens eine zweite Medium 4 angrenzenden dritten Mediums 11 in einer mit dem Kanalsystem 2 verbundenen Kammer 10 überwacht. Zum optischen Erfassen kann beispielweise ein optischer Sensor, wie etwa eine Kamera eingesetzt werden.

In diesem Zusammenhang wird in Fig. 6 eine Ausführungsvariante gezeigt, wie die Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 beispielhaft optofluidisch kontrolliert bzw. überwacht werden kann. Dies ist insofern ein besonders vorteilhafter Aspekt des hier beschriebenen Prozesses, da verschiedene Viskositäten von Proben, Kartuschenvarianzen oder Gerätevarianzen zu Varianzen in Pumpzyklen führen können. Somit schafft diese Ausführungsvariante nach Fig. 6 eine beispielhafte Grundlage einer optischen Kontrolle, insbesondere für das System aus Fig. 5. Dabei wird eine Konservierung der Pumpregion bzw. ein im wesentlichen konstantes Volumen an zweitem Medium 4 genutzt und beispielsweise der untere, linke Zugangskanal an eine Kammer 10 gekoppelt, welche optisch auslesbar ist. Diese Kammer 10 ist in einem Endzustand zum Beispiel halb mit einem Farbstoff befüllt (vgl. Fig. 6a). Der Farbstoff stellt hier ein Beispiel für ein drittes Medium 11 dar. Der Rest der Kammer ist mit Öl gefüllt, das hier ein Beispiel für das zweite Medium 4 darstellt.

Wird nun die Pumpphase bzw. das zweite Medium 4 bewegt, so bewegt sich auch der Farbstoff bzw. das dritte Medium 11 mit. Ist im Zugangskanal zur Kammer 10 mit dem Farbstoff noch mehr Farbstoff vorgelagert, so füllt sich die Kammer 10 langsam mit dem ganzen Farbstoff auf (vgl. Fig. 6b). Das Volumen dieses Farbstoffes wird in der Regel im Vorherein so berechnet und befüllt, dass beim zweiten Endzustand, die Kammer 10 vollständig befüllt ist (siehe Fig. 6c). Wird nun die Pumpe wieder umgekehrt, so bewegt sich der Farbstoff wieder zurück (siehe Fig. 6d) und nimmt wieder die Befüllung des ersten Endzustandes an.

Diese Füllzustände können nun beispielsweise mit einer Kammer verfolgt werden (bevorzugt via Fluoreszenz, aber auch ein Hellfeldmodus ist möglich). Der Befüllungsstand bzw. Füllgrad 12 dieser Beobachtungskammer 10 kann somit mit an den Pumpmechansimus gekoppelt werden und in-situ entschieden werden, ob die Pumpe umgekehrt werden muss und wo sich die Pumpphase bzw. das zweite Medium 4 in der zirkulären Struktur bzw. in dem zirkulären Bereich 5 des Kanalsystems 2 im Moment befindet. Zugehörige, beispielhafte zeitliche Verläufe der Füllzustände von zweitem Medium 4 und drittem Medium 11 sind in Fig. 6e angegeben.

Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise einer hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Vorrichtung 3. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die Ausführungen zu den vorangehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.

In Fig. 7 wird eine Ausführungsvariante gezeigt, in welcher das Prinzip von Fig. 6 genutzt wird, um die Befüllung einer Kammer 15 mit Probe bzw. erstem Medium 1 zu kontrollieren. Die Kammer 15 ist in Fig. 7c bezeichnet und in den Fig. 7a und 7b jeweils dargestellt. Fig. 7a ist die Kammer 15 mit dem zweiten Medium 4 befüllt. In Fig. 7b ist die Kammer 15 bereits teilweise mit dem ersten Medium 1 und noch teilweise mit dem zweiten Medium 4 befüllt. In Fig. c ist die Kammer 15 vollständig mit dem ersten Medium 1 befüllt. Hierbei ist die Kammer 15, die auch als Probekammer 15 oder Analysekammer 15 bezeichnet werden kann, nicht optisch zugänglich. Diese Konstellation kann beispielsweise entstehen, wenn zum Beispiel eine PCR-Kammer gefüllt werden muss, welche von oben und unten von Heizelementen verdeckt wird und keine Aufnahmen gemacht werden können.

Dabei wird die Probekammer 15 bzw. Analysekammer 15 hier beispielhaft mit zwei weiteren Kammern, nämlich einer Speicherkammer 14 und einer (optisch zugänglichen) Beobachtungskammer 10 verbunden. Die Speicherkammer 14 ist in einer Grundstellung bzw. Ausgangssituation (vgl. Fig. 7a) vollständig mit Farbstoff bzw. drittem Medium 11 gefüllt. Die Beobachtungskammer 10 lässt eine optische Betrachtung zu. Das Probematerial bzw. erste Medium 1 kann zu der Analysekammer 15 geführt werden (siehe Fig. 7b). Vorzugsweise wird das erste Medium 1 mit einer Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 zu der Analysekammer 15 geführt. Dann wird die Probe bzw. das zweite Medium 1 über die beiden benachbarten Kammern 10, 14 in die Probe- bzw. Analysekammer 15 gepumpt (siehe Fig. 7b mit geschlossenen Ventilen 8 im unteren Kanal). Dabei bewegt sich der Farbstoff bzw. das dritte Medium 11 von der Vorlagerung bzw. der Speicherkammer 14 in die optisch zugängliche Kammer 10. Durch den

Volumenerhalt kann dann durch die Befüllung der Kammer 10 bzw. dem Füllgrad 12 an drittem Medium 11 in der Kammer 10 auf die Befüllung der Probekammer

15 zurückgeschlossen werden.

Fig. 8 zeigt schematisch eine beispielhafte Implementierung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens in ein optofluidisches System 16. Fig. 8

veranschaulicht in diesem Zusammenhang eine beispielhafte Implementierung von den oben aufgeführten Prozessen in ein optofluidisches System 16. Eine Kamera 17 kommuniziert dabei mit einer (Pumpen-) Kontrollsoftware 18, welche Bilder auswertet und der pneumatischen Einheit 19 des optofluidischen Systems

16 Befehle schickt, ob weitere Pumpschritte nötig sind oder nicht.

Fig. 9 zeigt schematisch eine Detailansicht der Systems nach Fig. 8. In diesem Zusammenhang veranschaulicht Fig. 9 beispielhaft eine Integration der

(Pumpen-) Kontrollsoftware 18 in einen fluidischen Ablauf. Dabei wird in Block 20 jeweils ein Zyklus gepumpt. Anschließen wird in Block 21 ein Bild aufgenommen, der Status des Pumpvorganges ausgewertet sowie entschieden ob, mit welchen Ventilen und in welche Richtung weitergepumpt werden muss oder die

(Pumpen-) Kontrollsoftware 18 and Punkt 22 beendet werden kann und im Ablauf weitergefahren wird.

Die hier vorgeschlagene Lösung erlaubt insbesondere einen oder mehrere der nachstehenden Vorteile:

• Zellen und funktional isierte Beads können auf einem peristaltisch

pumpenden System präzise eingesetzt und bewegt werden, ohne dass Interferenzen für Pumpen oder Analyten entstehen.

• Seltenes Zellmaterial wie Stammzellen, zirkulierende Tumorzellen,

Subtypen von Immunzellen (z.B. Antigenspezifische T-Zellen) können auf einem Chip störungsfrei prozessiert werden. Da diese Zellen oft in kleinsten Mengen auftreten, ist jede verlorene Zelle ein größerer Verlust für die eigentliche Analyse. Auch wird der mechanische Stress, welcher diese Zelltypen verändern kann, positiv reduziert.

• Durch den Einsatz eines Zweiphasensystems, kann das eigentliche

Probevolumen nochmals reduziert werden, da die Pumpregion, welche sonst verdünnendes Totvolumen wäre, mit der Erfindung durch ein inertes Volumen substituiert wird. Auch lässt sich das Volumen dynamisch, der Probe entsprechend anpassen. Das mikrofluidische Volumen ist somit nicht nur durch die Geometrie kontrolliert.

• Eventuelle Aufreinigungen oder Anreicherungen können on-chip mittels funktionalisierten Beads ermöglicht werden. Dazu kann auf den Einbau eines Filters im mikrofluidischen Netzwerk vorteilhaft verzichtet werden. Neben der Komplexen Integration von Filtern (oft materialabhängig für verschiedene Aufreinigungen), kann auch das eingesetzte

Waschvolumen reduziert werden.

• Der erfinderische Prozess schafft die Grundlage für die Implementation einer on-chip Sortierung von einem kleinen Volumen. Das Prozessieren von einzeln Zellen mittels peristaltischen Pumpen ermöglicht das

Sortieren und Anreichern von verschiedenen Zellen. So können aus einer beschränkten Probe mit wenig Material die gewünschten Zellsubtypen gezielt extrahiert und wenn gewünscht gepoolt (zusammengeführt) werden. Standardmethoden wie Flusszytometrie brauchen dazu oft mehr Volumen und Probenmaterial, als zum Beispiel eine Probe einer Biopsie hergibt.

• Zirkuläres Pumpen erlaubt das Wiederholen von Soritiervorgängen mittels peristaltischen Pumpen. Beschädigt dieses Pumpen Zellen nicht, ist es besonders geeignet für seltenes Zellmaterial in kleinen Mengen.

• Das Konzept ist besonders geeignet für die Integration in ein

optofluidisches System. Mittels in-situ Auswertung von Kamerabildern können Pumpvorgänge kontrolliert und manipuliert werden, damit das gewünschte Pumpresultat erreicht wird.

• In einem bestehenden mikrofluidischen System, in welchem fluidische Abläufe durch Ventile kontrolliert werden, müssen nicht zwingend neue, explizit zum Pumpen verwendete Ventile integriert werden. Das Pumpen kann durch den dynamisch kontrollierten Einsatz von bestehenden Ventil via Softwarekontrolle ermöglicht werden.

• Die Pumpen können via Geometrie des Flussnetzwerkes und einer

Kamera kontrolliert werden. Dies ermöglicht den Einsatz eines

Rückkopplungssystems (Feedbacksystem). Dadurch müssen

Pumpzyklen nicht zwingend vorprogrammiert werden und können im Experiment angepasst werden. Dies ist besonders von Vorteil, wenn die Viskosität von Probe zu Probe schwankt.

• Das optofluidische Kontrollsystem kann auch implementiert werden, wenn nicht das ganze System von einer Kammer beobachtet werden kann. Durch geschickte Verknüpfung von Kanalsystem und Farbstoffen kann die Pumpgeschwindigkeit und Befüllungen von Kammern kontrollier werden, ohne dass diese direkt betrachtet werden müssen.