Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchmischen einer Flüssigkeit mittels eines mikrofluidischen Testelements, das ein Substrat und eine Kanalstruktur aufweist und mit einer Winkelgeschwindigkeit um eine Rotationsachse rotiert. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Durchmischen einer Flüssigkeit sowie das Testelement selbst.

Mikrofluidische Testelemente werden beispielsweise zum Analysieren von Flüssigkeitsproben und zum Durchmischen einer Flüssigkeit vorwiegend in diagnostischen Tests (In-Vitro-Diagnostik) eingesetzt. Bei derartigen Tests werden beispielsweise Körperflüssigkeitsproben auf einen darin enthaltenen Analyten für medizinische Zwecke untersucht.

Ein Anwendungsgebiet von mikrofluidischen Testelementen sind sogenannte Microarrays oder Festphasentests, die auf Festphasenbindungsreaktionen basieren. Eine Gruppe derartiger Tests sind Sandwichtests, bei denen ein festphasengebundener erster Bindungspartner eine spezifische Bindungsre- aktion mit einem Analyten in der Flüssigkeit eingeht. Der Analyt wiederum kann durch das "Andocken" eines Markierungsmoleküls (Label) sichtbar gemacht werden. Die Sichtbarmachung kann beispielsweise durch Lumineszenz oder Fluoreszenz oder andere Formen der Labelung erfolgen, wie etwa durch Enzyme in Enzymimmunoassays.

Da bei Einsatz kleiner Probenvolumina häufig eine geringe Konzentration des Analyten vorliegt, werden sogenannte Spottests durchgeführt, bei denen der festphasengebundene Reaktionspartner nicht die gesamte Bodenfläche einer Inkubationskammer bedeckt, sondern nur einzelne Bereiche bzw. Punkte davon. Durch die Verwendung von Spots erfolgt also eine Konzentration des Analyten und des Labels an den einzelnen Spots in der Kammer. Insbesondere bei geringer Konzentration ist die Dichte des Analyten und des Labels im Bereich der Spots erheblich höher als bei vollflächiger Aufbringung des fest- phasengebundenen Reaktionspartners. Für viele Tests hat sich eine Anordnung von mehreren (drei bis zehn) Spots für den gleichen Parameter (Analyten) als geeignet erwiesen. Die Spots werden einzeln ausgewertet. Aus den Ergebnissen wird ein Mittelwert gebildet. Bei einigen Tests ist auch eine andere, vorzugsweise höhere Anzahl von Spots pro Parameter vorteilhaft. Damit eine aussagekräftige Mittelwertauswertung erfolgen kann, müssen die Analyten und Label möglichst gleichmäßig über alle Spots verteilt sein.

Genau wie bei den Microarrays ist auch bei biochemischen Reaktionskammern mit Oberflächensensoren und einer entsprechenden Messtechnik eine gleichmäßige Abbindung der Analyten notwendig, insbesondere wenn eine optische Auswertung erfolgt, beispielsweise durch Bilderkennung. Gleiches gilt auch für vollflächig beschichtete (aktive) Oberflächen. Diese können beispielsweise ein Gel (Hydrogel mit Festphasenreaktionspartner) am Boden der Kammer oder eine großporige 3D-Matrix als Alternative zu einer planen Ober- fläche sein.

Daneben werden mikrofluidische Testelemente auch bei Tests verwendet, bei denen in der Reagenzkammer ein Reagenz in flüssiger Form oder als Fest- stoff vorliegt, der auf dem Testelement eingetrocknet ist. Derartige Trockenreagenzien müssen vor der Analyse aufgelöst und homogenisiert werden. Es ist jeweils ein gleichmäßiges Durchmischen bzw. Anlösen notwendig. Der Begriff "Durchmischen" umfasst dabei neben dem Auflösen eines Feststoffes in einer 5 Flüssigkeit (Homogenisieren mit einem flüssigen Lösungsmittel) auch die Möglichkeit, dass zwei Flüssigkeiten miteinander gemischt werden, wenn das Reagenz beispielsweise in flüssiger Form vorliegt.

Ein wichtiger Bestandteil bei den oben genannten Tests und der Analyse einer 10 Probenflüssigkeit sind Testträger, auf denen mikrofluidische Testelemente mit Kanalstrukturen zur Aufnahme einer Flüssigkeitsprobe angeordnet oder integriert sind. Um die Durchführung aufwendiger, mehrstufiger Testführungen ("Testprotokolle") zu ermöglichen, umfassen die Kanalstrukturen häufig eine Vielzahl von Kanalabschnitten, Kammern und fluidischen Ventilen zur Abi s laufsteuerung.

Testträger und mikrofluidische Testelemente bestehen aus einem Trägermaterial, häufig aus einem Substrat aus Kunststoffmaterial. Geeignete Materialien sind beispielsweise COC (Cyclo-Olephin-Copolymer) oder Kunststoffe wie

20 PMMA (Polymethylmethacrylat), Polycarbonat oder Polystyrol. Die Kanalstruktur des Testträgers ist von dem Substrat und einem Deckel oder einer Deckschicht umschlossen. Hergestellt wird eine derartige Kanalstruktur durch eine drei-dimensionale Strukturierung der Kunststoffteile, beispielsweise durch Spritzgießtechniken oder andere Verfahren. Es ist auch möglich, die Struktur

25 durch materialabtragende Verfahren, wie beispielsweise Fräsen oder Laser- ablation einzubringen.

Die Steuerung des Flüssigkeitstransports innerhalb der Kanalstrukturen und die Steuerung des Prozessablaufes kann mit internen (innerhalb des fluidi- 30 sehen Testelements) oder mit externen (außerhalb des fluidischen Testelements) Maßnahmen erfolgen. Die Steuerung kann durch Anwendung von Druckunterschieden oder durch Änderung von Kräften hervorgerufen werden, beispielsweise durch Änderung der Wirkrichtung der Schwerkraft. Eine gezielte Steuerung des Flüssigkeitsflusses kann innerhalb der Kanalstruktur durch die Rotation eines Testelements erzielt werden. Die erzeugten Kräfte können durch Steuerung der Änderung der Rotationsgeschwindigkeit oder der Drehrichtung oder durch den Abstand von der Drehachse vorgenommen oder durch Ausnutzung von Dichteunterschieden in der Flüssigkeit erzeugt werden (z. B. beim Auflösen eines Feststoffs). Beispielsweise können die mikrofluidischen Testelemente in einer rotierenden Scheibe in Form einer Compactdisc (CD) angeordnet sein. Eine Gegenüberstellung verschiedener Methoden ist beispielsweise aus Marc Madou, et al.; Lab on CD; Annual Review of Biomedical Engineering, 2006.8, Page 601 to 628 (onli- ne@http://bioenc. annualreviews.org) bekannt.

Analysesysteme mit rotierenden Biosensoren sind beispielsweise auch aus den folgenden Veröffentlichungen bekannt:

1. Peytavi, et al.; Microfluidic Device for Rapid (< 15 Min.) Automated Micro- array Hybridization, 2005, Clinical Chemistry; page 1.138 to 1.844; (online published at DOI: 10.1373/clin_chem.2005.052845)

2. Guangyao, Jia, et al.; Dynamic Automated DNA Hybridization on a CD (Compact Disc) Fluid Platform; Sensors and Actors B 1 14 (2006); page 173 to 181 ; (online at www.sciencedirect.com) 3. Grumann; Readout of Diagnostic Assays on a Centrifugal Microfluidic Platform; Oktober 2005; Dissertation an der Universität Freiburg

4. S. Lutz, et al.; Unidirectional Shake-Mode for Mixing Highly Wetting Fluids on Centrifugal Platforms; 12th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Live Science; October 12 to 16, 2008; San

Diego, California, USA 5. EP 1 894 617 A2

6. DE 10 2005 048 260 A1

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7. Zahra Noroozi, et al; Reciprocating flow-based centrifugal microfluidics mixer; Review of Scientific Instruments 80, 075102 (2009).

Um das Vermischen von Flüssigkeiten bei rotierenden Scheiben zu verbes- i o sern, schlägt Grumann (3) in seiner Dissertation zwei Möglichkeiten vor: Im ersten Konzept werden paramagnetische Polymerkugeln (Beads) in die Mischkammer gegeben und bei Rotation der Disc über ortsfeste Permanentmagnete periodisch ausgelenkt. Die Relativbewegung der Beads gegenüber der Flüssigkeit beschleunigt das Mischen. Im zweiten Konzept wird die Disc 15 nicht mit einer konstanten Frequenz rotiert, sondern unter sich periodisch änderndem Drehsinn einem sogenannten Shake-Mode unterworfen, so dass auf Grund von Trägheitseffekten der Flüssigkeiten das Mischen verbessert und beschleunigt wird.

20 Bevor das Vermischen im Shake-Mode erfolgen kann, wird zunächst einmalig die Drehfrequenz erhöht, um in einer "loading phase" durch eine erhöhte Zentrifugalkraft das Öffnen eines mikrofluidischen Ventils zu bewirken und die Flüssigkeit in die entsprechenden mikrofluidischen Strukturen und Kammern zu transportieren. Nach dem Mischen im Shake-Mode kann sich eine Sedi-

25 mentationsphase anschließen, bei der das Testelement mit einer erhöhten Drehgeschwindigkeit konstant über eine längere Zeit rotiert wird, Fig. 6.16. In einer sich anschließenden sogenannten Read-Out-Phase wird das Testelement mit einer reduzierten Drehgeschwindigkeit, die geringer sein kann als die Spitzengeschwindigkeit im Shake-Mode, gedreht, um eine optische Auswer-

30 tung vorzunehmen. Die Auswertephase ist in der beschriebenen Abfolge deutlich länger als die vorherigen Prozessphasen, zu denen auch die Shake- Mode-Mixing-Phase gehört. Das Vermischen der Flüssigkeit in der Kammer erfolgt in einem gleichmäßigen "Shake-Mode", in dem die Rotationsfrequenz bis zu einer End- Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe konstant beschleunigt wird und anschließend mit einer zweiten Beschleunigung (Verzögerung), die der ersten entgegengerichtet ist, zunächst bis zum Stillstand abgebremst wird. Anschließend wird die Scheibe in die Gegenrichtung beschleunigt, bis eine zweite End-Winkelgeschwindigkeit erreicht ist. Anschließend wird die Disc wieder gebremst und nach dem Stillstand erneut in Gegenrichtung beschleunigt. Die erste und die zweite Beschleunigung und die erste und zweite End- Winkelgeschwindigkeit sind jeweils betragsmäßig gleich, jedoch ist die Drehrichtung entgegengesetzt. Dieser "Shake-Mode" wird in Fachkreisen auch "Euler-Mischen" genannt, da bei der Beschleunigung der Scheibe neben der bei konstant rotierenden Scheiben auftretenden Zentrifugalkraft und Corio- liskraft eine weitere Kraftkomponente hinzukommt, die Eulerkraft. Die Euler- kraft ist proportional zur zeitlichen Änderung der Winkelgeschwindigkeit, während die Zentrifugalkraft proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit und die Corioliskraft proportional zur Winkelgeschwindigkeit ist.

Lutz et al. (4) haben in Studien herausgefunden, dass das Euler-Mischen ver- bessert werden kann, wenn die Beschleunigung (Änderung der Drehwinkelgeschwindigkeit) nicht um den Nullpunkt (Frequenz = Null bzw. Winkelgeschwindigkeit = Null) stattfindet, sondern mit einem Offset. Nach Lutz wird die rotierende Disc ebenfalls konstant beschleunigt, bis eine erste End- Winkelgeschwindigkeit erreicht wird. Anschließend wird die Disc abgebremst, bis eine zweite End-Winkelgeschwindigkeit erreicht ist, danach folgt wiederum ein Beschleunigen. Die erste und zweite End-Winkelgeschwindigkeit unterscheiden sich betragsmäßig. Die Rotationsrichtung wird jedoch nicht geändert. Dieser als "unidirektionaler Shake-Mode" bezeichnete Mischvorgang hat sich zumindest in Systemen bewährt, bei denen sich an die Reaktionskammer oder Mischkammer eine Kanalstruktur anschließt, die eine Kombination aus Siphon- und Flüssigkeitsventil aufweist. Der unidirektionale Shake-Mode soll verhindern, dass Flüssigkeit bei geringen Drehgeschwindigkeiten bzw. beim Stillstand kapillar getrieben durch den Siphon hindurchtreten kann. Die EP 1 894 617 A2 (5) betrifft ein System mit mikrofluidischem Testelement mit einer Kanalstruktur und einer Flüssigkeitskammer, in der Flüssigkeiten durchmischt werden. Das Testelement wird in einem System rotiert, wobei die 5 Rotationsrichtung geändert wird. Zunächst erfolgt eine Beschleunigung des Testelements bis zu einer ersten End-Winkelgeschwindigkeit in eine erste Richtung, anschließend in die entgegengesetzte Richtung bis zu einer zweiten End-Winkelgeschwindigkeit. Daraufhin erfolgt wiederum eine Umkehr der Rotationsrichtung. Die erste und zweite End-Winkelgeschwindigkeit sowie die i o jeweiligen Beschleunigungen können gleich sein (Figur 6a) oder unterschiedlich sein (Figur 6b). Obwohl die einzelnen Halbzyklen unterschiedlich sein können, sind die aufeinanderfolgenden Zyklen (Vollzyklus) jeweils gleich.

In der DE 10 2005 048 260 A1 (6) wird ebenfalls ein Shake-Mode zum Mi- 15 sehen einer Flüssigkeit in einem rotierenden Testträger vorgeschlagen. Hierbei wird während des Schüttelmodus (Figur 8) der Testträger abwechselnd beschleunigt und abgebremst, wobei sich die Drehrichtung mehrfach zwischen den beiden End-Winkelgeschwindigkeiten ändert. Daneben kann die Drehgeschwindigkeit beim Erreichen der Maximalgeschwindigkeit für einen 20 gewissen Zeitraum konstant gehalten werden. Die maximale Drehfrequenz und die Beschleunigung bzw. das Abbremsen sind in jedem Zyklus gleich. Neben einem Schüttelmodus mit Drehrichtungsumkehr wird auch ein Schüttelmodus ohne Drehrichtungsumkehr vorgeschlagen, bei dem die Drehfrequenz zwischen dem Stillstand und einer Maximalrotationsfrequenz verändert 25 wird. Im Schüttelmodus gemäß Figur 9 wird zunächst zwei Zyklen lang geschüttelt, bevor eine Ruhephase erfolgt, an die sich wieder zwei Schüttelzyklen anschließen. Das Vermischen der Flüssigkeit innerhalb des Schüttelmodus erfolgt mit gleichen Rotationszyklen.

30 Vor der Durchführung des Vermischens im Shake-Mode erfolgt das Zuführen der Probe und ein erstes Beschleunigen und Abbremsen, um die Flüssigkeit in den Kanalstrukturen zu verteilen. An den Schüttelmodus schließt sich eine Ruhephase an, in der ein Waschpuffer zugeführt wird, der dann durch ein Be- schleunigen und Abbremsen in der Kanalstruktur gesteuert bewegt wird. Hieran können sich weitere Verfahrensschritte mit unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten anschließen.

5 Noroozi (7) schlägt zwar auch ein Shake-Mode-ähnliches Rotationsprofil vor; dieses dient jedoch zur Steuerung des Flüssigkeitstransports in der Kanalstruktur und gerade nicht dem Vermischen einer Flüssigkeit. Um eine optische Analyse durchzuführen, wird der Testträger zunächst mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert, um den verwendeten Laser zu justieren. Anschlie- i o ßend erfolgt eine Erhöhung der Drehfrequenz bis zu einem Wert, bei der die Zentrifugalkraft die Kapillarkraft übersteigt, um einen Transport der Flüssigkeit in den mikrofluidischen Kanal zu ermöglichen. Im Anschluss daran erfolgt die weitere Steuerung der Flüssigkeitsbewegung in der Kanalstruktur, wobei die Rotationsgeschwindigkeit konstant verändert wird, so dass der Testträger zwi-

15 sehen der Ruheposition und einer Maximaldrehfrequenz ohne eine Umkehr der Drehrichtung bewegt wird. Die einzelnen Zyklen des Rotationsprofils sind jeweils gleich.

Trotz intensiver Untersuchungen in unterschiedlichen Richtungen und trotz 20 der erzielten Fortschritte besteht im Stand der Technik weiterhin ein großer Bedarf daran, das Durchmischen von Flüssigkeiten und eine (homogene) Verteilung von Komponenten in einer Flüssigkeit innerhalb von Prozesskammern eines rotierenden Testelements zu verbessern. Dabei soll vorwiegend die Homogenität innerhalb des Flüssigkeitsraums verbessert werden und, wenn 25 möglich, gleichzeitig die Prozessdauer reduziert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Durchmischen von Flüssigkeiten vorzuschlagen.

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Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch ein Testelement mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Durchmischen einer Flüssigkeit mittels eines mikrofluidischen Testelements, das ein Substrat und eine mikrofluidi- sche Kanalstruktur mit einer Mischkammer aufweist, setzt voraus, dass das mikrofluidische Testelement mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Rotationsachse rotiert, die sich bevorzugt durch das Testelement erstrecken kann. Beispielsweise kann die Rotationsachse eine zentrale Rotationsachse durch den Mittelpunkt des Testelements oder durch den Schwerpunkt sein. Bevorzugt ist das Testelement als Testträger ausgebildet oder in einen Testträger integriert. Der Testträger rotiert um eine Rotationsachse, die sich bevorzugt durch den Testträger erstreckt und bevorzugt zentral angeordnet ist.

Das mikrofluidische Testelement rotiert gemäß eines Rotationsprofils, das wenigstens drei Zyklen umfasst und bei dem sich die Winkelgeschwindigkeit innerhalb eines Zyklus ändert. Das Rotationsprofil ist dabei als eine zeitliche Abfolge von mehreren End-Winkelgeschwindigkeiten zu verstehen, die in Zyklen unterteilt sind. Ein Zyklus umfasst, ausgehend von einer End- Winkelgeschwindigkeit, das Beschleunigen der Rotation des Testelements mit zumindest einer ersten Beschleunigung a1 bis zum Erreichen einer ersten End-Winkelgeschwindigkeit ω1 und nach Erreichen der ersten End- Winkelgeschwindigkeit ω1 das Beschleunigen der Rotation des Testelements mit zumindest einer zweiten Beschleunigung a2 bis zum Erreichen einer zweiten End-Winkelgeschwindigkeit ω2. Die beiden Beschleunigungen a1 und a2 sind entgegengerichtet. Dies gilt sowohl innerhalb eines Zyklus wie auch von einem Zyklus zum nächsten, so dass beispielsweise die Beschleunigung a2 des ersten Zyklus Z-ι der Beschleunigung a1 des zweiten Zyklus Z ₂ entgegengerichtet ist.

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung beginnt ein Zyklus beispielsweise bei einem Kurvenminimum, an das sich ein Abschnitt zunehmender Winkelgeschwindigkeit mit einer positiven Beschleunigung bis zum Erreichen eines Kurvenmaximums anschließt. Nach dem Erreichen des Kurvenmaximums nimmt die Winkelgeschwindigkeit mit einer negativen Beschleunigung ab, bis wieder ein Kurvenminimum erreicht wird. Der Zyklus umfasst demnach zwei Halbzyklen, die sich jeweils von einem Kurvenminimum zum anschließenden Kurvenmaximum bzw. von einem Kurvenmaximum bis zum anschließenden Kurvenminimum erstrecken. Zwei aufeinanderfolgende Halbzyklen bilden ei- nen Vollzyklus.

Ein Zyklus ist also derart definiert, dass er die zeitliche Abfolge der Winkelgeschwindigkeit definiert, wobei die eine, beispielsweise die erste, End- Winkelgeschwindigkeit zweimal in einem Zyklus enthalten ist. Findet die Ände- rung der Winkelgeschwindigkeit um den Nullpunkt (Stillstand; f = 0) herum statt, so kann ein Zyklus auch durch die Nulldurchgänge veranschaulicht werden. Der Zyklus entspricht folglich einer Periode, also dem kleinsten zeitlichen Intervall, nachdem sich ein Vorgang wiederholt. Dabei müssen die End- Winkelgeschwindigkeiten und/oder die Beschleunigungen nicht gleich oder konstant sein.

Das Rotationsprofil weist eine Mehrzahl von Zyklen auf, wobei sich das Rotationsprofil ebenfalls periodisch wiederholen kann, so dass sich die Reihenfolge der Zyklen nach einer vorgegebenen Zykluszahl (größer 2) wiederholt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.

Erfindungsgemäß werden zum Erzeugen einer (vorzugsweise homogen) durchmischten Flüssigkeit wenigstens eine der Beschleunigungen a1 , a2 und/oder wenigstens eine der End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 von ei- nem Zyklus zum nächsten geändert. Es wurde erkannt, dass sich durch die Aneinanderreihung unterschiedlicher Zyklen die Homogenität der durchmischten Flüssigkeit deutlich verbessern lässt. Auch hat die Anwendung unterschiedlicher Zyklen positive Auswirkungen auf die Mischzeit, die verringert wird.

Neben den oben gestellten Aufgaben löst das erfindungsgemäße Verfahren auch das Problem, dass ein "Verarmen" der Flüssigkeit am Analyt erfolgt, wenn der Analyt in der Flüssigkeit beispielsweise an der Festphase des Mik- roarrays abbindet und daher der festphasennahe Teil der Flüssigkeit wenig bzw. weniger Analytmoleküle aufweist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass (kontinuierlich) Analyt aus den festphasenfernen Flüssigkeitsbereichen der Kammer zu den verarmten Flüssigkeitsbereichen nachgeliefert wird. Somit wird also der Massentransport innerhalb der Flüssigkeit durch das Verfahren ebenso optimiert wie das Vermischen.

Es wurde erkannt, dass sich bei Rotationsprofilen, die in allen Zyklen jeweils dieselben Beschleunigungen und dieselben End-Winkelgeschwindigkeiten aufweisen, in der Kanalstruktur, insbesondere in einer Flüssigkeitskammer bzw. Mischkammer, wiederholende Muster ausbilden. Diese wiederkehrenden Strömungsmuster wiederholen sich mit jedem Zyklus (Schwingung) und sind charakteristisch für die gewählte Beschleunigung und End-Frequenz des Schütteins (Shake-Mode) bzw. der End-Winkelgeschwindigkeit. Insbesondere bei einem periodischen Shake-Mode mit konstanter Beschleunigung und konstanter Endfrequenz mit Drehrichtungswechsel sind diese Muster sehr ausgeprägt.

Bei biochemischen Assays mit einer Mehrzahl von Detektionsspots (Array- Spots) führt das konstante Schütteln dazu, dass sich das Strömungsmuster auf der Array-Oberfläche "einbrennt". In diesem Fall können die Array-Spots (Detektionsorte) nicht an beliebigen Orten in die Kammer eingebracht werden, sondern müssten in Abhängigkeit des Strömungsmusters und somit in Abhängigkeit des Rotationsprofils ausgewählt werden. Das Ankoppeln einer in der Flüssigkeit gleichverteilten Analytmenge an unterschiedlichen Orten auf der Kammeroberfläche ist somit unterschiedlich effizient. Um systemische Schwankungen zu eliminieren, werden zur Steigerung der Präzision bei Biosensoren im Array-Format jeweils mehrere Array-Spots durch Mittelwertbildung aus den tatsächlichen Spot- Ist-Werten ausgewertet. Die Ausbildung von Strömungsmustern verzerrt jedoch das Messergebnis, so dass diese Methode hier deutliche Nachteile aufweist. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass es vorteilhaft ist, wenn zum Durchmischen der Flüssigkeit das Rotationsprofil des Shake-Modes wenigstens drei aufeinanderfolgende Zyklen umfasst. Dabei kann vor dem Durchmischen der Flüssigkeit eine Rotation des Testelementes zur Steuerung des Flüssigkeitstransports innerhalb der Kapillarstruktur des Testelementes erfolgen. Diese Rotation kann beschleunigt und abgebremst sein und beispielsweise ebenfalls ein Rotationsprofil aufweisen, bei dem zunächst eine Beschleunigung bis zu einer ersten End-Winkelgeschwindigkeit und anschließend ein Abbremsen bis zu einer geringeren End-Winkelgeschwindigkeit auf- treten kann. Diese dem Durchmischen vorgelagerten Verfahrensschritte und Rotationsprofile sind jedoch nicht Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchmischen einer Flüssigkeit. Erst wenn die zu durchmischende Flüssigkeit in der entsprechenden Mischkammer enthalten ist, erfolgt das Durchmischen der Flüssigkeit. Auch ein an das Durchmischen anschließendes Ro- tationsprofil zur Auswertung der Flüssigkeit, zur Hinzufügung von weiterer Flüssigkeit, wie beispielsweise eines Waschpuffers, zur Durchführung eines Sedimentationsverfahrensschritts oder ähnlicher Verfahrensschritte bleibt bei dem Rotationsprofil zum Durchmischen der Flüssigkeit außer Betracht. Diese Rotationsprofile zur Prozesssteuerung sind deutlich zu unterscheiden von dem Rotationsprofil zum Durchmischen der Flüssigkeit.

Das erfindungsgemäße Rotationsprofil zum Durchmischen mit wenigstens drei aufeinanderfolgenden Zyklen ist so ausgelegt, dass sich jeweils ein Zyklus von dem jeweils vorhergehenden Zyklus in mindestens einer der End- Winkelgeschwindigkeiten und/oder der Beschleunigungen unterscheidet. Es hat sich als besonderes vorteilhaft erwiesen, wenn der Shake-Mode mindestens zehn aufeinanderfolgende Zyklen umfasst, wobei auch mindestens 15 oder 20 oder 25 Zyklen ausgeführt werden können. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung hat der Shake-Mode mindestens 10 aufeinanderfolgen- de Zyklen, die innerhalb von 20 Sekunden durchlaufen werden, bevorzugt innerhalb von höchstens 30 Sekunden, höchstens 40 Sekunden, höchstens 50 Sekunden oder höchstens 60 Sekunden. Eine ebenfalls bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die durchschnittliche Dauer eines Zyklus weniger als 2 Sekunden umfasst, bevorzugt weniger als eine Sekunde. Möglich ist auch, dass die durchschnittliche Zyklusdauer wenigstens weniger als 5 Sekunden oder weniger 10 Sekunden ist. Ausgehend von der Erkenntnis, dass bei mikrofluidischen Verhältnissen im Gegensatz zur Makrofluidik stets laminare Strömungsverhältnisse vorliegen, wurde erkannt, dass eine Teilbefüllung der Kammer einen negativen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse einer (runden) Kammer hat und somit auch einen negativen Einfluss auf die Mischeffizienz. Bei den kleinen Dimensionen der Mischkammern und Kanalstrukturen des mikrofluidischen Testelements und den typischen erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten von mehreren mm/sec kann von laminaren Bedingungen ausgegangen werden. So wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass die besten Mischeffekte bei einer runden Kammerform erreicht werden, bei der auch die Wände der Kammer im Wesentlichen glatt sind. In den Raum hineinragende Rührelemente oder ähnliche Elemente wirken sich nicht messbar bis negativ aus. Im Rahmen der Versuche wurde weiter erkannt, dass die runde Kammer bevorzugt kreisrund und nicht elliptisch ist. Da bei den rotierenden Testelementen die Form einer flachen Scheibe gewählt wird und eine optische Auswertung über die Oberfläche der Scheibe erfolgt, wurde erkannt, dass eine Kammer in Form einer Zylinderscheibe optimal ist. Besonders bevorzugt weist diese einen kreisrunden Grundriss auf. Dabei hat sich ein Verhältnis von Kammerdurchmesser zu Höhe der Kammer von 1 zu 1 als ideal erwiesen. Dieses "Aspektverhältnis" soll also bevorzugt nahe 1 liegen und unter Berücksichtigung der typischen sys- temischen Randbedingungen maximal 4 betragen. Der Quotient von Oberfläche A zu Volumen V sollte aufgrund der Untersuchungen bei konstantem Volumen einen Wert zwischen 1 und 3,5 haben. Dabei ist die Flüssigkeitskammer derart anzuordnen, dass sich die (bevorzugt durch das Testelement erstreckende) Rotationsachse, um die sich das Testelement dreht, nicht durch die Flüssigkeitskammer erstreckt. Vielmehr ist die Flüssigkeitskammer bevorzugt von der Rotationsachse beabstandet. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Beträge der Beschleunigungen a1 und a2 in einem Zyklus verschieden. Die Ausbildung konstanter Strömungsmuster in der Flüssigkeitskammer wird schon innerhalb eines Zyklus verhindert.

Bevorzugt ist wenigstens eine der Beschleunigungen a1 , a2 während eines Zyklus veränderlich. Die eine oder beide Beschleunigungen a1 , a2 ändern sich also innerhalb des Zyklus. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass alternativ wenigstens eine der Beschleunigungen a1 , a2 während eines Zyklus konstant sein kann, bevorzugt beide Beschleunigungen. Die Änderung der Winkelgeschwindigkeit innerhalb des Zyklus ändert sich also kontinuierlich (konstant). Da ein Zyklus im Verhältnis zum Rotationsprofil und somit zur gesamten Mischdauer relativ kurz ist, bilden sich innerhalb der Periodendauer (Zyklusdauer) keine stehenden, gleichbleibenden Strömungsmuster aus. Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit einer konstanten Beschleunigung innerhalb eines Zyklus die Mischergebnisse von (annähernd) gleicher Qualität sind wie bei sich ändernden Beschleunigungen während des Zyklus. Allerdings ist die Steuerung der Rotation mit einer konstanten Beschleunigung deutlich einfacher zu realisieren.

Es hat sich auch gezeigt, dass die Mischeffizienz mit höheren Amplituden (größere End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2) effektiver ist als die Mischeffizienz mit geringen Amplituden (ω1 , ω2). Bei gleicher Beschleunigung ist folglich die Mischeffizienz mit einer längeren Periodendauer und weniger Zyklen (Assay-Intervall) effektiver als mit einer demzufolge kurzen Periodendauer und vielen Zyklen pro Untersuchung, also bei gleicher Gesamt-Mischdauer.

Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Drehrichtung des Testelements beim Erreichen der ersten End-Winkelgeschwindigkeit ω1 gleich oder entgegengerichtet zu der Drehrichtung des Testelements beim Erreichen der zweiten End-Winkelgeschwindigkeit ω2. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehrichtung entgegengesetzt. Folglich findet eine Umkehr der Drehrichtung statt, während zwischen der ersten und zweiten End-Winkelgeschwindigkeit eine Beschleunigung auf das rotierende Testelement ausgeübt wird. Die "Schwingung" findet also um den Nullpunkt der Frequenz statt. Nach Erreichen der ersten End- Winkelgeschwindigkeit ω1 wird durch Einwirken lassen einer zweiten Beschleunigung a2 folglich das rotierende Testelement so weit abgebremst, bis es zum Stillstand kommt und dann mit der gleichen zweiten Beschleunigung a2 weiter beschleunigt, bis die zweite End-Winkelgeschwindigkeit ω2 erreicht ist. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine bessere Durchmischung erfolgt, wenn sich die Drehrichtung des Testelements ändert. Zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs (Frequenz f = 0, Drehwinkelgeschwindigkeit ω = 0) wirken auf die Flüssigkeit in dem Testelement keine Zentrifugalkraft und keine Corioliskraft. Zu der weiterhin wirkenden Eulerkraft tritt die Kapillarkraft als vorherrschende Komponente hinzu, die durch die Anordnung und Geometrie der Kapillarstrukturen gegeben ist. Durch das kurzzeitige (dominante) Wirken der Kapillarkraft wird das Mischergebnis insgesamt verbessert. Wichtig ist jedoch, dass die Geometrie, insbesondere ein sich an die Mischkammer anschließender Siphon, entsprechend ausgebildet ist, so dass ein Durchbrechen des Siphons verhindert wird.

Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Begriff "Durchmischen" nicht nur das Auflösen eines Feststoffes in einer Flüssigkeit und das Mischen mehrerer Flüssigkeiten verstanden, sondern auch der gleichmäßige Transport von in der Flüssigkeit gelösten Bestandteilen, um beispielsweise ein Verarmen der Lösung mit Reagenz bzw. Analyt an einer Bindephase (Festphase) zu vermeiden. Nach der Reaktion einzelner Analytmoleküle mit Fängermolekülen der Bindephase erfolgt ein Verarmen des Analyten in der Flüssigkeit in dem Bereich der Bindephase. Durch das Mischen wird der Transport von Analyt- molekülen innerhalb der Flüssigkeit derart sichergestellt, dass eine kontinuierliche Nachlieferung der Analytmoleküle aus entfernten Bereichen zu den Flüssigkeitszonen nahe der Bindephase erfolgt, um möglichst alle im Rahmen der relevanten Gleichgewichts-Reaktion möglichen Analytmoleküle an die Binde- phase (bzw. an deren Fängermoleküle) zu binden, was die Empfindlichkeit des Nachweisverfahrens erhöht. Das erreichte Ziel ist somit ein Anreichern möglichst aller Analytmoleküle aus der Flüssigphase an der Bindephase. Der Begriff "Durchmischen" schließt also auch diesen Ausgleich der Analytmolekü- le innerhalb der Flüssigkeit ein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten besonderen Ausführungsformen näher erläutert. Die dort dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevor- zugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Die beschriebenen Ausführungen stellen keine Einschränkung der durch die Ansprüche in ihrer Allgemeinheit definierten Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum homogenen Durchmischen einer Flüssigkeit;

Fig. 2 einen Testträger mit einem erfindungsgemäßen Testelement;

Fig. 3 ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Winkelgeschwindigkeit im "Standard-Shake-Mode";

Fig. 4 ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Winkelgeschwindigkeit bei geänderten End-Winkelgeschwindigkeiten;

Fig. 5a-c je ein Diagramm mit der zeitlichen Abfolge der Winkelgeschwin- digkeit bei unterschiedlichen Beschleunigungen;

Fig. 6 ein weiteres Diagramm der zeitlichen Abfolge der Winkelgeschwindigkeit im "Zufalls-Shake-Mode"; Fig. 7 eine Tabelle zur Gegenüberstellung verschiedener Shake-Modi;

Fig. 8 ein Diagramm zum Vergleich zweier Shake-Modi; Fig. 9 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf zweier "Zufalls-Shake- Modes".

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum homogenen Durchmischen einer Flüssig- 5 keit mit einem Testelement 2, das in der Vorrichtung 1 gehalten wird. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Halterung 3 zur Aufnahme des Testelements 2, die um eine Rotationsachse 4 drehbar ist. Die zwei Testelemente 2 sind in einem Testträger 16 integriert. Die drehbare Halterung 3 mit ihrer Welle 3a wird von einem Antrieb 5 derart bewegt, dass die Halterung 3 mitsamt des gehaltenen i o Testträgers 16 mit einer einstellbaren veränderlichen Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsachse 4 dreht. Der Antrieb 5 wird von einer Steuerungseinheit 6 gesteuert, wobei ein Bewegungsablauf festgelegt werden kann, der bevorzugt als Rotationsprofil in der Steuerungseinheit 6 hinterlegt ist. Das Rotationsprofil kann beispielsweise aus mehreren Steuerungsbefehlen bestehen,

15 mit der die Rotationsgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit), die Beschleunigung, die Haltezeit, während der die End-Winkelgeschwindigkeit konstant gehalten wird, und die Drehrichtung festgelegt sind. Das Rotationsprofil kann entweder in einem Speicher der Vorrichtung 1 hinterlegt sein oder durch manuelle Einstellung der obigen Parameter an der Vorrichtung eingestellt oder

20 aus den Parametern erzeugt werden.

In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 1 eine optische Mess- und Auswerteeinheit 7 mit einem optischen Sensor 8. Eine in dem Testelement 2 aufgenommene Flüssigkeit kann analysiert und gemessen werden. 25 Dabei können die im Stand der Technik bekannten Ermittlungsverfahren angewendet werden.

Das mikrofluidische Testelement 2 umfasst eine mikrofluidische Kanalstruktur 10, die einen Kanalabschnitt 1 1 aufweist, der sich von einer Öffnung 12 zu 30 einer mikrofluidischen Flüssigkeitskammer 13 erstreckt. Die Flüssigkeitskammer 13 ist über einen Siphonkanal 14 mit einer Sammelkammer 15 fluidisch verbunden, die auch als Waste-Chamber bezeichnet wird. Die Testelemente 2 sind in dem Testträger 16 eingebettet, der als runde Scheibe (Disc) ausgebil- det ist und durch den sich die Rotationsachse 4 erstreckt. Die Kanalstruktur 10 wird von einem Substrat und einer nicht gezeigten Deckschicht umschlossen, die den Testträger 16 von oben abdeckt.

5 Die Halterung 3 in der Vorrichtung 1 ist als Welle 3a ausgebildet, die konzentrisch zur Rotationsachse 4 verläuft. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Halterungen 3 vorzusehen, beispielsweise eine Halte-Scheibe, ein Rotor oder eine Spannvorrichtung mit äußeren Klammern, in die das Testelement eingespannt wird. Neben der zentralen Welle 3a ist es möglich, den i o Testträger mit einem oder mehreren Testelementen um eine außerzentrische (exzentrische) Rotationsachse rotieren zu lassen. Die Rotationsachse kann sich dabei beispielsweise durch den Schwerpunkt des Testträgers 16 erstrecken, um räumlichen Strukturen in dem Testträger 16 bzw. den Testelementen 2 zu berücksichtigen und eine Umwucht beim Rotieren zu vermeiden. Die

15 Rotationsachse muss nicht zwingend vertikal ausgerichtet sein. Sie kann auch schräg im Raum verlaufen unter einem Raumwinkel θ Φ 0 gegenüber der Vertikalen.

Der Testträger 16 in Figur 2 zum homogenen Durchmischen einer Flüssigkeit 20 umfasst ein Testelement 2 mit einer Kanalstruktur 10. Die Kanalstruktur 10 hat zwei Öffnungen 12a, 12b, an die sich zwei nebeneinander verlaufende Kanalabschnitte 1 1 a, 1 1 b bis zu zwei Zwischenkammern 17a, 17b erstrecken. So können beispielsweise zwei Flüssigkeiten gleichzeitig zugeführt werden. Die Zwischenkammern 17a, 17b stehen über einen weiteren Kanal 18a bzw. 18b 25 mit je einer Öffnung 19a, 19b in Fluidverbindung. Über die Öffnungen 19a, b kann der die Flüssigkeit aufnehmende Kanalabschnitt bei Mehrfachnutzung zuverlässig entlüftet werden. Ein sich an die Zwischenkammern 17a, 17b anschließender Kanalabschnitt 20a, 20b führt zu einem fluidischen Ventil 21 , durch das Flüssigkeiten aus den Zwischenkammern 17a, 17b gesteuert in die 30 Flüssigkeitskammer 13 geleitet werden können. Das fluidische Ventil 21 hat einen Luftauslass 22 zum Entlüften, der über einen Luftkanal 23 für die Entlüftung des fluidischen Ventils 21 und daran angeschlossener Fluidikbereiche (z. B. Kammer 13) sorgt. Sobald Flüssigkeit aus den Zwischenkammern 17a, 17b in die Flüssigkeitskammer 13 gelangt ist, kann ein Durchmischen stattfinden. An die Flüssigkeitskammer 13 schließt sich ein Siphonkanal 14 an, der die Flüssigkeits- 5 kammer 13 mit einer Sammelkammer 15 verbindet.

Werden zwei unterschiedliche Flüssigkeiten getrennt in den Zwischenkammern 17a, 17b gelagert und in die Flüssigkeitskammer 13 gegeben, so findet eine Durchmischung beider Flüssigkeiten auf Grund von Diffusion statt. Dieser i o Prozess dauert jedoch sehr lange, häufig mehrere Stunden. Um dies zu beschleunigen, wird im Stand der Technik ein Standard-Shake-Mode (Standard- Eulermischen) verwendet, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit des Testträgers 16 bzw. des Testelements 2 verändert wird, Figur 3. Die Änderung der Frequenz beschreibt eine "Schwingung" mit Nulldurchgang (f = 0) zwischen

15 einer ersten Endfrequenz von f1 = +40 Hz und einer zweiten Endfrequenz f2 = -40 Hz. Die ausgeübten Beschleunigungen a1 , a2 sind betragsmäßig gleich. Die Periodendauer ist somit konstant. Als Zyklusdauer (Periodendauer) wird die Zeit zwischen dem ersten Erreichen der ersten Endfrequenz f1 und dem nächsten Erreichen der ersten Endfrequenz f1 verstanden.

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Im Rahmen der Erfindung wurde mit diesem "Standard-Eulermischen" erkannt, dass die Formgebung der Flüssigkeitskammer 13 einen Einfluss auf die Mischgeschwindigkeit hat. So wurde am Beispiel einer Flüssigkeitskammer 13 mit einem konstanten Volumen von 10 Mikrolitern (10 μΙ), die in dem schei-

25 benförmigen Testträger 16 mit einer Höhe von 2,7 bis 3 mm angeordnet ist, erkannt, dass eine runde Flüssigkeitskammer 13 vorteilhaft ist. Bevorzugt ist die Flüssigkeitskammer 13 als runde Zylinderscheibe mit einer Höhe kleiner der Höhe des Testträgers 16. ausgebildet. Besonders bevorzugt ist ein kreisrunder Grundriss der Zylinderscheibe. Der Quotient aus dem Durchmesser der

30 kreisrunden Zylinderscheibe und der Höhe des Zylinders sollte möglichst nahe eins liegen. Bei einem Quotienten von 1 ,25, einem Kammerdurchmesser r1 von 2,5 mm und einer Höhe h1 von 2 mm wird bereits nach 5 Sekunden eine homogene Durchmischung zweier Plasma enthaltenden Flüssigkeiten erzielt, während bei einem Durchmesser r2 von 4 mm und einer Höhe h2 von 0,8 mm eine homogene Durchmischung erst nach 10 Sekunden erfolgt. Es wurde erkannt, dass das Verhältnis von Oberfläche A zu Volumen V entscheidend ist. Bevorzugt ist der Quotient nahe 1 . Die erste Kammer hat einen Quotienten Qi = Ai / Vi = 2,6 während die zweite Kammer einen Quotienten Q2 = A2 / V2 = 3,5 aufweist. Die Kammer mit dem kleineren Quotienten erzielt schneller eine homogene Durchmischung.

Durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotationsprofils mit unterschiedlichen Zyklen kann die Mischeffizienz weiter gesteigert werden. So wur- de erkannt, dass erfindungsgemäß von einem Zyklus Z-ι zum nächsten Zyklus Z ₂ wenigstens eine der Beschleunigungen a1 , a2 und/oder wenigstens eine der End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 verändert werden muss. Die Inkubationsdauer unter Mischen über der Festphase des Microarrays lässt sich damit auf wenige Minuten reduzieren, während die Güte der Nachlieferung von Ana- lyten an die Nachweis-Oberfläche und die Homogenität der Abbindung auf der Festphase deutlich verbessert werden.

Figur 4 zeigt ein Rotationsprofil zum Vermischen einer Flüssigkeit, bei dem nur die End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 von Zyklus zu Zyklus verändert wurden. Die Beschleunigungen a1 , a2 sind in allen Zyklen gleich. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Beschleunigung a1 , a2 betragsmäßig gleich. Weitere Rotationsprofile bzw. Rotationsabläufe zur Steuerung des Flüssigkeitstransports, beispielsweise zum Füllen einer Mischkammer oder zur Auswertung und Analyse einer durchmischten Flüssigkeit, sind hier nicht gezeigt und können sich vor dem Rotationsprofil zum Durchmischen der Flüssigkeit bzw. nach diesem Rotationsprofil anschließen. Diese bleiben jedoch bei der Definition des Rotationsprofils zum Durchmischen der Flüssigkeit außer Betracht. Die Figuren 5a bis c zeigen jeweils einen Ausschnitt eines Rotationsprofils für die Winkelgeschwindigkeit. Auch dieses Rotationsprofil wird zum Durchmischen der Flüssigkeit und nicht zur Steuerung des Flüssigkeitstransports in den Kanalstrukturen eingesetzt. Bei allen hier gezeigten Profilen ändern sich sowohl die Beschleunigungen a1 , a2 als auch die End- Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 in den jeweiligen Zyklen. Gezeigt werden dabei jeweils exemplarisch zwei Zyklen Z^, Z ₂ .

In Figur 5a ist die erste Beschleunigung a1 1 im ersten Zyklus Z-ι verschieden 5 von der ersten Beschleunigung a12 im zweiten Zyklus Z ₂ . Gleichzeitig ist die erste End-Winkelgeschwindigkeit ω1 1 des ersten Zyklus verschieden von der ersten End-Winkelgeschwindigkeit ω12 des zweiten Zyklus. Gleiches gilt für die zweite Beschleunigung a21 , a22 und die zweite End- Winkelgeschwindigkeit ω21 und ω22. Innerhalb eines Zyklus ist die jeweilige i o Beschleunigung a1 , a2 konstant und ändert sich nicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der Beschleunigungen a1 , a2 während eines Zyklus Z veränderlich. Beispielsweise kann die jeweilige Beschleunigung a1 , a2 aus zwei Teilbeschleunigungen a1 _a , a1 b bzw. 15 a2 _a , a2b bestehen. Beispielsweise können die jeweiligen Beschleunigungen a _a , ab jeweils konstant sein. Bevorzugt sind sie voneinander verschieden. Die Beschleunigungen a _a , ab können jedoch auch veränderlich sein, so dass im Diagramm keine Gerade, sondern eine Kurve dargestellt wäre.

20 Bevorzugt besteht ein Zyklus aus einem ersten Teilzyklus Z _T i bis zum Erreichen der ersten End-Winkelgeschwindigkeit ω1 und aus einem sich daran anschließenden zweiten Teilzyklus Z ₂ bis zum Erreichen der zweiten End- Winkelgeschwindigkeit ω2. Die Rotation des Testelements erfolgt in wenigstens einem der beiden Teilzyklen Z _T i, Z _T 2 mit wenigstens zwei Beschleuni-

25 gungen a _a , a _b .

Figur 5b ist zu entnehmen, dass der erste Zyklus Z-ι aus den beiden Teilzyklen Z _T ii und Z _T 2i besteht. Im ersten Teilzyklus Z _T n erfolgt die Rotation des Testelements zunächst mit der Beschleunigung a1 1 _a und anschließend mit einer 30 zweiten Beschleunigung a1 1 _b , die in dieser Ausführungsform von der ersten Teilbeschleunigung a1 1 _a verschieden ist. Der zweite Teilzyklus Z _T 2i des ersten Zyklus weist ebenfalls zwei Beschleunigungen a21 _a und a21 _b auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine der beiden Teilbeschleunigungen a _a , a _b in wenigstens einem der Teilzyklen Z _T -i , Z _T 2 gleich Null. Für die vorgegebene Zeitdauer T _P (Plateauzeit, Haltezeit), während der die Beschleunigung a _a , a _b gleich Null ist, findet folglich keine Änderung der Win- kelgeschwindigkeit statt, so dass für die Zeitdauer T _P das Testelement mit einer konstanten Geschwindigkeit rotiert. Bevorzugt ist jedoch wenigstens eine der Teilbeschleunigungen a _a , a _b ungleich Null. Ein derartiges Rotationsprofil hat sich insbesondere bei biochemischen Tests und Tests in der Immunologie als vorteilhaft erwiesen, wenn während der Phasen mit einer konstan- ten Rotation (Beschleunigung gleich Null) ein Abbinden stattfindet.

Selbstverständlich kann die Beschleunigung in einem Teilzyklus a1 , a2 auch aus mehr als zwei Teilbeschleunigungen a _a , a _b , a _c ... bestehen. Denkbar ist, dass noch vor Erreichen der End-Winkelgeschwindigkeit die Rotation des Testelements mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit (ungleich der End- Winkelgeschwindigkeit) erfolgt, also mit einer Beschleunigung gleich Null, und anschließend erneut die Rotation beschleunigt wird, bis die End- Winkelgeschwindigkeit erreicht wird. Bevorzugt ist wenigstens eine der Teilbeschleunigungen beim Erreichen einer der End-Winkelgeschwindigkeiten gleich Null. Das Testelement wird dann mit der End-Winkelgeschwindigkeit des Zyklus für eine vorgegebene Zeitdauer T _P konstant rotiert, also nicht beschleunigt. Figur 5c zeigt ein derartiges Rotationsprofil, bei dem die Beschleunigungen a1 1 _b und a21 _b im ersten Zyklus gleich Null sind. Die Rotation des Testelements mit einer konstanten Geschwindigkeit findet hier beim Erreichen der End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 1 , ω21 im ersten Zyklus Z-ι statt. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Rotation für ein vorgegebenes Zeitintervall T _P mit der End- Winkelgeschwindigkeit positive Auswirkungen auf das Abbinden der Moleküle auf der aktiven Oberfläche hat. Die Zeitdauern T _P1 und T _P2 innerhalb eines Zyklus können gleich oder unterschiedlich voneinander sein. Sie können von Zyklus zu Zyklus variieren oder sich wiederholen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Beschleunigungen des Rotationsprofils mit einer Zufallszahl kodiert; sie werden aus der Zufallszahl gebildet. Bevorzugt werden zusätzlich oder optional die End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 aus einer Zufallszahl gebildet. Beispielsweise können für jede anzuwendende Beschleunigung und End- Winkelgeschwindigkeit eine Zufallszahl verwendet werden, die innerhalb der 5 systemisch vorgegebenen Grenzen der Vorrichtung liegen. In den ausgeführten Beispielen ist der Betrag der End-Winkelgeschwindigkeit systembedingt auf 100 Hz beschränkt, so dass die durch eine Zufallszahl ermittelten End- Winkelgeschwindigkeiten ebenfalls betragsmäßig nicht größer als 100 Hz werden können. Gleichzeitig muss bei dem hier verwendeten Testelement 2 i o der Betrag der End-Winkelgeschwindigkeit systembedingt größer oder gleich 20 Hz sein, da sonst der sich an die Flüssigkeitskammer 13 anschließende Siphonkanal 14 durchbricht und Flüssigkeit entweicht.

Die Zufallszahl ist bevorzugt eine "echte Zufallszahl". Beispielsweise können

15 die Kreiszahl π oder die Eulerzahl e = 2,718281828459 verwendet werden.

Diese als echte Zufallszahlen bezeichneten Zahlen eignen sich besonders für ein "chaotisches Eulermischen". Die Zufallszahl wird als Matrix für die Wahl der "zufälligen" Prozessparameter verwendet. Beispielsweise können Werte der Beschleunigungen und/oder der End-Winkelgeschwindigkeiten aus je zwei 20 aufeinander folgenden Ziffern der Zufallszahl gebildet werden. Alternativ kann jede Ziffer verwendet werden, die mit einem konstanten Faktor, z. B. 10, multipliziert wird.

Am Beispiel der Zahl π = 3, 141592653589793... folgt daraus, dass das Test- 25 element 2 im ersten Zyklus Z-ι von einer ersten End-Winkelgeschwindigkeit ω1 = 31 Hz (Anfangsgeschwindigkeit) mit einer zweiten Beschleunigung a2 = -41 Hz/sec beschleunigt wird bis zum Erreichen einer zweiten End- Winkelgeschwindigkeit ω2 = -59 Hz. Das Testelement 2 wird also zunächst gebremst und dann mit geänderter Rotationsrichtung beschleunigt. Anschlie- 30 ßend wird es mit der ersten Beschleunigung a1 = 26 Hz/sec beschleunigt.

Auch dieser Vorgang umfasst ein Bremsen, einen (kurzen) Stillstand mit Drehrichtungsumkehr und ein Beschleunigen. Die erste Beschleunigung a1 ist der zweiten Beschleunigung a2 entgegengerichtet und weist folglich ein positives Vorzeichen auf. Das Testelement 2 wird bis zum Erreichen der ersten End- Winkelgeschwindigkeit ω1 = 53 Hz mit der ersten Beschleunigung a1 beschleunigt. Diese erste End-Winkelgeschwindigkeit ω1 gehört bereits zum zweiten Zyklus Z ₂ des Rotationsprofils. Für den zweiten Zyklus Z ₂ des Rotationsprofils werden die nachfolgenden Ziffern der Zahl π ausgewählt, so dass die zweite Beschleunigung des zweiten Zyklus a2 = -58 Hz/sec ist. Alle nachfolgenden Beschleunigungen und End- Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Zyklen werden entsprechend ausgewählt.

Dieses Rotationsprofil eines „π-Shake-Modes" (π-Eulermischen), das zum Durchmischen einer Flüssigkeit verwendet wird, ist in Figur 6 dargestellt. Bei dem Rotationsprofil werden sowohl die End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 als auch die Beschleunigungen a1 , a2 von Zyklus zu Zyklus verändert wer- den. Der Betrag der maximal auftretenden End-Winkelgeschwindigkeit ω1 , ω2 beträgt in diesem Anwendungsbeispiel systembedingt 100 Hz. Deutlich zu erkennen ist, dass die Zyklen unterschiedliche Zyklusdauern haben, was aus den unterschiedlichen Beschleunigungen bzw. End-Winkelgeschwindigkeiten folgt.

Der Nachweis der verbesserten Durchmischung eines Analyten in einer Flüssigkeit durch Einsatz eines chaotischen Euler-Rotationsprofils, bei dem sowohl die Beschleunigungen wie auch die End-Winkelgeschwindigkeiten von einem Zyklus zum nächsten verändert werden, ist in der Tabelle in Fig. 7 ge- zeigt. Dazu wurden drei Spots eines festphasengebundenen Reaktionspartners in einer Flüssigkeitskammer 13 platziert. Ein Analyt (in diesem Fall ein Protein), der in einer Flüssigkeit enthalten ist, wurde durch eine optische Auswertung mit einer Belichtungszeit von 10 Sekunden ermittelt. Dargestellt ist der Mittelwert MW der gemessenen Signale über verschiedene Testelemente. Als Signal gilt der Mittelwert aus den Spot-Integralen (= Spot-Signale). Je höher der Mittelwert und je geringer der Variationskoeffizient, desto vorteilhafter ist die Art des Mischens für die Microarrays. In Figur 7 sind die Messergebnisse zweier Messungen gezeigt. Sowohl in der ersten (1 .) als auch in der zweiten (2.) Messung wird ein Standardschütteln (Standard-Eulermischen) mit gleich bleibenden Beschleunigungen und gleich bleibenden End-Winkelgeschwindigkeiten über alle Zyklen verglichen mit ei- 5 nem "chaotischen Eulermischen", bei dem die Beschleunigungen a1 , a2 konstant sind und die End-Winkelgeschwindigkeiten ω1 , ω2 innerhalb der Inkubationsdauer variieren und Zeitintervalle der konstanten Rotation sich mit aktiven Mischphasen während der Inkubation abwechseln. In der ersten Messung werden beim chaotischen Eulermischen etwa 5 % mehr Signale (Counts) er- i o mittelt, während der Variationskoeffizient VK von 27 % auf 21 % gesunken ist.

Auch bei der zweiten Messung mit einer geänderten Proteindichte in der Flüssigkeit ergibt sich eine Erhöhung des Mittelwerts der detektierten Signale (Counts). In diesem Fall liegt die Erhöhung bei 1 1 %. Gleichzeitig verbessert sich der Variationskoeffizient VK von 26 % auf 17 %. Aus beiden Werten lässt

15 sich erkennen, dass eine deutlich verbesserte Homogenität erzielt wurde.

In Figur 8 wird das Standard-Eulermischen (Kurve A) mit dem chaotischen Eulermischen (Kurve B) auf Grundlage der Zahl π (π-Eulermischen) verglichen. Zum Nachweis der Homogenität wurde ein BI-DIG-Modellsystem einge-

20 setzt, bei dem der Boden der Flüssigkeitskammer 13 mit einem TRSA-BI- Streptavidin gecoatet ist. Auf dem Boden sind einzelne Spots mit einem Bl- RPLA-DIG (BI-Rinderplasmaalbumin-DIG) angeordnet, wobei die Bodenfläche um die Spots mit Biotin geblockt (beschichtet) ist. Nachgewiesen wird ein Anti- DIG-Latex als Modell-Analyt in einer Probenflüssigkeit. In Figur 8 ist jeweils

25 der Median der gemessenen, signalgebenden Fluoreszenzsignale (FS) (counts) über den einzelnen (nummerierten) Spots (S) der Kammer 13 dargestellt. Der Vergleich der beiden Kurven zeigt, dass bei dem chaotischen Eulermischen deutlich geringere Ausreißer der einzelnen Spots zu detektieren sind als beim Standardmischen. Auch in diesem Fall ist die Variation der ein-

30 zelnen Spots geringer. Es erfolgt also eine bessere Verteilung des in der Flüssigkeit enthaltenen Analyten, was ein Indikator für eine bessere Durchmischung der Flüssigkeit ist. Figur 9 zeigt den Vergleich zweier Messungen bei einem "chaotischen Euler- Mischen". Auch hier sind jeweils der Median der gemessenen, signalgebenden Fluoreszenzsignale (FS) (counts) über den einzelnen (nummerierten) Spots (S) einer Kammer gezeigt. Bis auf jeweils einen Ausreißer an je einem 5 Spot zeigt das Messergebnis eine geringe Varianz über alle Spots. Es erfolgt somit eine sehr gute Gleichverteilung, da der Variationskoeffizient gering ist. Die beiden Ausreißer waren bei diesem Versuch erwartet worden, da sie systembedingt sind. Dass beide Ausreißer an unterschiedlichen Spots detektiert wurden, hängt damit zusammen, dass keine idealgleichen Matrizen i o (gecoatete Flüssigkeitskammern) zur Verfügung standen. Allerdings ist der deutliche Trend zu erkennen, dass durch eine Veränderung der Beschleunigungen und der End-Winkelgeschwindigkeiten von Zyklus zu Zyklus innerhalb eines Rotationsprofils die Durchmischung einer Flüssigkeit deutlich verbessert werden kann.

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