Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum Handhaben zweier Flüssigkeitsvolumina und insbesondere Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, die geeignet sind, zwei Flüssigkeitsvolumina in einer Fluidkammer aufzunehmen und über getrennte Auslasskanäle aus der Fluidkammer zu transferieren.

Einleitung

Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Femtoliter- bis Milliliter-Bereich. Bei der zentrifugalen Mikrofluidik werden mikrofluidische Systeme in rotierenden Systemen betrieben, um Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können alle Standardlaborprozesse in das System, das ein Fluidikmodul, meist in der Form einer Polymer-Einwegkartusche, aufweist, implementiert werden. Somit können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren, in einer mikrofluidischen Kartusche implementiert werden, so dass vollständige Laborprozesse automatisiert werden können. Zu diesem Zweck beinhalten die Fluidikmodule beziehungsweise Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Durch eine vordefinierte Abfolge von Drehfrequenzen können die Flüssigkeiten mithilfe der Zentrifugalkraft gezielt durch die Kartusche bewegt werden. Anwendung findet die Mikrofluidik unter anderem in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik.

Für viele mögliche Anwendungen, wie etwa die Extraktion und Aufreinigung von DNA (Desoxyribonukleinsäure), werden eine Vielzahl an flüssigen Reagenzien, wie etwa Lysepuffer, Bindepuffer, Waschpuffer und Elutionspuffer benötigt. Solche Reagenzien werden in der Regel in Schlauchbeuteln, sogenannten Stickpacks, auf der mikrofluidischen Kartusche vorgelagert. Die Stickpacks können während des Prozessierens durch eine Kombination aus Zentrifugalkraft und Temperatur geöffnet werden. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist der relativ große Platzbedarf, da üblicherweise jedes Stickpack in einer eigenen Kammer vorgelagert wird, sofern die Flüssigkeit nach dem Öffnen des Stickpacks radial einwärts gepumpt werden soll. Stand der Technik

Verfahren zum Flüssigkeitstransport in zentrifugal-mikrofluidischen Systemen und Kartuschen sind bekannt. Beispielsweise offenbaren Zehnle, S., et al. „Pneumatic Siphon Valving and Switching in Centrifugal Mircofluidics Controlled by Rotational Frequency or Rotational Acceleration“, Microfluidics and Nanofluidics, 19.6 (2015), Seiten 1259-1269, dass eine Flüssigkeit über zwei unterschiedliche Siphons auf zwei Kammern verteilt werden kann. Flüssigkeit wird aus einer Einlasskammer zentrifugal in eine Kompressionskammer getrieben. Die Kompressionskammer ist über einen ersten Fluidkanal mit einem ersten inversen Siphon mit einer ersten Sammelkammer verbunden und über einen zweiten Fluidkanal mit einem zweiten inversen Siphon mit einer zweiten Sammelkammer verbunden. Der Scheitel des ersten inversen Siphons liegt radial weiter außen als der Scheitel des zweiten inversen Siphons, und der Flusswiderstand des ersten Fluidkanals ist viel größer als der Flusswiderstand des zweiten Fluidkanals. Zunächst findet eine Rotation bei einer Rotationsgeschwindigkeit statt, bei der Luft in der Kompressionskammer komprimiert wird. Findet ausgehend von diesem Zustand ein langsames Abbremsen statt, wird der erste Siphon gefüllt und Flüssigkeit wird aus der Kompressionskammer durch den ersten Fluidkanal in die erste Sammelkammer getrieben. Findet ausgehend von dem genannten Zustand ein schnelles Abbremsen statt, so wird der größte Teil durch den zweiten Siphon in die zweite Sammelkammer getrieben. Die Flüssigkeit wird hier ausschließlich durch zentrifugale Kräfte in die nachfolgenden Kammern transportiert, wobei in der Kompressionskammer ein pneumatischer Druck erzeugt wird, der zum Schalten genutzt wird. Eine entsprechende Vorgehensweise ist in der DE 10 2013 203 293 A1 beschrieben.

Überblick

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Fluidikmodul, eine Fluidhandhabungsvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, zwei Fluidvolumina aus einer Fluidkammer durch unterschiedliche Auslasskanäle zu transferieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Fluidikmodul nach Anspruch 1 , eine Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 15 gelöst. Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Fluidikmodul zur Verwendung in einem zentrifugal-mikrofluidischen System mit folgenden Merkmalen: einer Fluidkammer mit einem ersten Kammerbereich und einem zweiten Kammerbereich, die durch eine Trennwand, die sich bezüglich eines Rotationszentrums radial nach innen erstreckt, voneinander getrennt sind, wobei ein erstes Flüssigkeitsvolumen in dem ersten Kammerbereich getrennt von einem zweiten Flüssigkeitsvolumen in dem zweiten Kammerbereich vorlagerbar ist, während ein gemeinsames Luftvolumen radial innerhalb des ersten und zweiten Flüssigkeitsvolumens angeordnet ist; einer ersten Auslassstruktur, die zumindest einen ersten Auslasskanal aufweist, der in den ersten Kammerbereich mündet und für einen Flüssigkeitsfluss aus dem ersten Kammerbereich eine Ausflussbarriere in Form eines radial nach innen ansteigenden Kanalabschnitts, der sich bis zu einer ersten radialen Position erstreckt, aufweist; und einer zweiten Auslassstruktur, die zumindest einen zweiten Auslasskanal aufweist, der in den zweiten Kammerbereich mündet und für einen Flüssigkeitsfluss aus dem zweiten Kammerbereich eine Ausflussbarriere in Form eines radial nach innen ansteigenden Kanalabschnitts, der sich bis zu einer zweiten radialen Position erstreckt, aufweist, wobei die erste radiale Position radial weiter innen liegt als die zweite radiale Position, so dass ausgehend von einer Rotation, bei der ein auf das erste und das zweite Flüssigkeitsvolumen wirkender hydrostatischer Druck verhindert, dass die Flüssigkeitsvolumen durch die erste und zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer fließen, ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das erste Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, größer ist als ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das zweite Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das zweite Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich somit auf ein Fluidikmodul, das Fluidikstrukturen aufweist, mit denen Flüssigkeiten aus einer Kammer zu unterschiedlichen Bereichen des Fluidikmoduls, beispielsweise einer zentrifugalmikrofluidischen Kartusche, transportiert werden können. Die gemeinsame Kammer ist als Kompressionskammer ausgebildet, um es zu ermöglichen, einen Überdruck in der Kammer zu erzeugen, beispielsweise durch Erwärmen des gemeinsamen Luftvolumens in der Kammer. In der gemeinsamen Kammer liegen zwei räumlich voneinander abgegrenzte Flüssigkeitsvolumina vor, wobei die Kammer gleichzeitig zur Druckerzeugung dient und somit den Transport der beiden Flüssigkeiten unabhängig voneinander ermöglicht. Um dies zu ermöglichen, ist ein Überdruck, der erforderlich ist, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das erste Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, größer als ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das zweite Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das zweite Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren.

Durch Erzeugen eines Überdrucks, der ausreicht, um das zweite Flüssigkeitsvolumen durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, aber nicht ausreicht, um das erste Flüssigkeitsvolumen durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, ist es somit möglich, das zweite Flüssigkeitsvolumen unabhängig von dem ersten Flüssigkeitsvolumen aus der Fluidkammer zu transferieren. Nachfolgend kann das erste Flüssigkeitsvolumen aus der Fluidkammer transferiert werden, indem ein Verhältnis aus auf das erste Flüssigkeitsvolumen wirkendem hydrostatischem Druck und Überdruck in der Fluidkammer bewirkt wird, bei dem das erste Flüssigkeitsvolumen durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer transferiert wird.

Bei Beispielen ist der fluidische Widerstand der zweiten Auslassstruktur für einen Fluidfluss aus der Fluidkammer größer als der fluidische Widerstand der ersten Auslassstruktur für einen Fluidfluss aus der Fluidkammer. Bei Beispielen ist der fluidische Widerstand der zweiten Auslassstruktur für eine Entlüftung aus der Fluidkammer größer als der fluidische Widerstand der ersten Auslassstruktur für einen Flüssigkeitsfluss des ersten Flüssigkeitsvolumens aus der Fluidkammer. Dadurch ist es möglich, in der Fluidkammer für die Dauer des Transports des ersten Flüssigkeitsvolumens über die erste Auslassstruktur einen ausreichenden Überdruck in der Fluidkammer zu erzeugen, wobei die Fluidkammer über die zweite Auslassstruktur nicht vorzeitig entlüftet wird, sobald der Transport über die zweite Auslassstruktur abgeschlossen ist. Um dies zu erreichen, können der erste Auslasskanal und der zweite Auslasskanal derart ausgelegt sein, dass der fluidische Widerstand des zweiten Kanals größer ist als der des ersten Kanals.

Bei Beispielen weist die zweite Auslassstruktur mehrere zweite Auslasskanäle auf, die in den zweiten Kammerbereich münden, wobei der fluidische Gesamtwiderstand der mehreren zweiten Auslasskanäle für einen Fluidfluss aus der Fluidkammer größer ist als der fluidische Widerstand des ersten Auslasskanals für einen Fluidfluss aus der Fluidkammer. Solche Beispiele ermöglichen es, Teile des zweiten Flüssigkeitsvolumens über verschiedene Auslasskanäle in unterschiedliche nach gestaltete Fluidikstrukturen zu transferieren. Bei Beispielen ist der zweite Kammerbereich durch zumindest eine sich radial nach innen erstreckende Bereichstrennwand in mehrere Kammerbereichsabschnitte getrennt, wobei einer der mehreren zweiten Auslasskanäle in jeden der Kammerbereichsabschnitte mündet. Somit ist es möglich, voneinander separierte Teile des zweiten Flüssigkeitsvolumens in verschiedene nachgeschaltete Fluidikstrukturen zu transferieren.

Der Ausdruck Auslassstruktur, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen oder mehrere Auslasskanäle. Der Ausdruck fluidischer Widerstand einer Auslassstruktur bezieht sich somit auf den fluidischen Widerstand des Auslasskanals, wenn die Auslassstruktur einen Auslasskanal aufweist, oder auf den fluidischen Gesamtwiderstand mehrerer Auslasskanäle, wenn die Auslassstruktur mehrere Auslasskanäle aufweist.

Bei Beispielen ist ein Verhältnis des fluidischen Widerstands der zweiten Auslassstruktur zu dem fluidischen Widerstand der ersten Auslassstruktur bei Befüllung mit dem gleichen Fluid mindestens ein Faktor von 30, vorzugsweise ein Faktor von mindestens 50. Bei Beispielen kann somit die zweite Auslassstruktur einen solchen fluidischen Widerstand für eine Entlüftung der Fluidkammer aufweisen, dass der Überdruck in dem Luftvolumen in der Fluidkammer, der erforderlich ist, um bei einer gegebenen Drehfrequenz und bei einer gegebenen hydrostatischen Höhe des Scheitels des ersten Auslasskanals das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das erste Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, in der Fluidkammer erzeugbar ist. Es hat sich gezeigt, dass hier ein Faktor von 30 ausreichend sein kann, wobei ein Faktor von mindestens 50 bevorzugt ist, um ein sicheres Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens aus der ersten Auslassstruktur zu ermöglichen.

Bei Ausführungsbeispielen sind Fluidikstrukturen des Fluidikmoduls ausgelegt, um zu ermöglichen, dass im Anschluss an den Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur die zweite Auslassstruktur zumindest teilweise mit Flüssigkeit gefüllt bleibt oder wieder mit Flüssigkeit gefüllt wird. Dadurch kann der fluidische Widerstand der zweiten Auslassstruktur bei einem Flüssigkeitstransfer durch die erste Auslassstruktur durch die Viskosität der Flüssigkeit in der zweiten Auslassstruktur bestimmt werden und damit ein Druckaufbau in der Fluidkammer besser unterstützt werden als wenn die zweite Auslassstruktur mit Gas gefüllt wäre.

Bei Beispielen weisen die Fluidikstrukturen einen sich radial nach innen erstreckenden Vorsprung in einer äußeren Kammerwand des zweiten Kammerbereichs auf, der ausgelegt ist, um bei dem Transfer der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur einen Teil der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens in dem zweiten Kammerbereich zurückzuhalten und um im Anschluss durch Änderung der Drehfrequenz überspült zu werden, so dass Flüssigkeit in die zweite Auslassstruktur gelangt.

Bei Beispielen weisen die Fluidikstrukturen eine Zwischenkammer auf, die in der zweiten Auslassstruktur angeordnet oder mit derselben fluidisch gekoppelt ist und ausgelegt ist, um beim Transfer von Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur mit Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens gefüllt zu werden, und nach dem Transfer den oder die zweiten Auslasskanäle zumindest teilweise mit der Flüssigkeit zu füllen. Die Zwischenkammer kann ausgelegt sein, um sich beim Transfer der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur nicht vollständig zu leeren, so dass bewirkt werden kann, dass nach dem Transfer Flüssigkeit in dem oder den zweiten Auslasskanälen verbleibt und somit der fluidische Widerstand der Auslassstruktur von der Viskosität der Flüssigkeit abhängt, die um ein Vielfaches höher ist als die von Gas, wie z.B. Luft.

Bei Beispielen weisen die Fluidikstrukturen eine Mündung des oder der zweiten Auslasskanäle in eine nachgeschaltete Fluidkammer auf, die ausgelegt ist, um einen T eil der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsvolumens nach dem Transfer durch die zweite Auslassstruktur in dem zweiten Auslasskanal oder den zweiten Auslasskanälen zu halten oder in dieselben zurückzubringen.

Bei Beispielen weisen die Fluidikstrukturen Kammerwände der Fluidkammer auf, die derart ausgelegt sind, dass durch Erhitzen verdampfende und an den Kammerwänden kondensierende Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitsvolumens durch Zentrifugieren zumindest teilweise in den zweiten Kammerbereich geführt wird und dort den oder die zweiten Auslasskanäle zumindest teilweise befüllt.

Durch entsprechende Fluidikstrukturen kann somit bewirkt werden, dass die zweite Auslassstruktur, d.h. der oder die Auslasskanäle derselben, nach dem Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens oder zumindest eines Großteils desselben, zumindest teilweise mit Flüssigkeit des zweiten oder ersten Flüssigkeitsvolumens befüllt werden können. Somit kann während des Flüssigkeitstransfers durch die erste Auslassstruktur der fluidische Widerstand der zweiten Auslassstruktur durch die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt werden und nicht durch das Gas, wie z.B. Luft. Somit kann ein Druckaufbau zum Erzeugen des Überdrucks, wie er zum Flüssigkeitstransfer durch die erste Auslassstruktur benötigt wird, begünstigt werden.

Bei Beispielen weist der erste Auslasskanal einen ersten inversen Siphonkanal auf, wobei sich der Scheitel des ersten inversen Siphonkanals bis zu der ersten radialen Position erstreckt. Bei Beispielen weist der zweite Auslasskanal einen zweiten inversen Siphonkanal auf, wobei sich der Scheitel des zweiten inversen Siphonkanals bis zu der zweiten radialen Position erstreckt. Bei solchen Beispielen ist der hydrostatische Druck, der auf das jeweilige Flüssigkeitsvolumen, insbesondere das jeweilige Flüssigkeitsvolumen in dem sich radial nach innen erstreckenden Abschnitt des Auslasskanals, wirkt, durch die radiale Position des Scheitels des jeweiligen Siphonkanals auf einfache Weise einstellbar.

Die Fluidkammer stellt eine Kompressionskammer dar, die ausgebildet ist, um die Erzeugung des Überdrucks in derselben zu ermöglichen. Bei Beispielen ist die Fluidkammer nicht entlüftet, wenn das erste und zweite Flüssigkeitsvolumen in dem ersten und zweiten Kammerbereich vorgelagert sind. Bei Beispielen kann ferner ein Entlüftungskanal vorgesehen sein, der die Fluidkammer mit weiteren Fluidikstrukturen des Fluidikmoduls oder der Außenwelt verbindet, wobei der Entlüftungskanal einen Entlüftungswiderstand aufweist, der es ermöglicht, einen Überdruck in der Fluidkammer zu erzeugen, der ausreicht, um das zweite Flüssigkeitsvolumen durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Mit anderen Worten kann bei Beispielen die Fluidkammer entlüftet sein, wobei jedoch die Entlüftung einen ausreichenden Entlüftungswiderstand bietet, um trotz der Entlüftung einen ausreichenden Überdruck in der Fluidkammer erzeugen zu können, um einen Transfer des ersten und zweiten Flüssigkeitsvolumens aus der Fluidkammer wie er hierin beschrieben ist, zu ermöglichen.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit einem solchen Fluidikmodul, einer Antriebseinrichtung, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul mit einer Rotation zu beaufschlagen, einer Druckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Überdrucks in dem gemeinsamen Luftvolumen und einer Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist ausgelegt ist, um die Antriebseinrichtung zu steuern, um das Fluidikmodul mit der Rotation zu beaufschlagen, bei der das erste und das zweite Flüssigkeitsvolumen durch den wirkenden hydrostatischen Druck in der Fluidkammer gehalten werden, und die Druckerzeugungseinrichtung zu steuern, um ausgehend von dieser Rotation einen Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen zu erzeugen, der ausreicht, um das zweite Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren.

Beispiele schaffen somit eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit einem Fluidikmodul, wie es hierin offenbart ist, wobei die Druckerzeugungseinrichtung ausgelegt ist, um einen Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen zu erzeugen, der ausreicht, um das zweite Flüssigkeitsvolumen durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Die Druckerzeugungseinrichtung kann ausgelegt sein, um den Überdruck so zu erzeugen, dass er ausreicht, das zweite Flüssigkeitsvolumen durch die zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, nicht jedoch das erste Flüssigkeitsvolumen durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Somit ist es möglich, die Flüssigkeitsvolumina unabhängig voneinander durch die jeweilige Auslassstruktur zu transferieren. Zu diesem Zweck kann die Druckerzeugungseinrichtung ausgelegt sein, um nach dem Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens einen solchen Überdruck in der Fluidkammer zu transferieren, dass das erste Flüssigkeitsvolumen durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer transferiert wird. Bei Beispielen kann die Druckerzeugungseinrichtung eine Heizeinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, um das gemeinsame Luftvolumen in der Fluidkammer zu erwärmen, um den Überdruck zu erzeugen. Somit kann der erforderliche Überdruck auf einfache Weise in der Fluidkammer erzeugt werden. Bei anderen Beispielen kann die Druckerzeugungseinrichtung Stoffe in der Fluidkammer aufweisen, die ausgelegt sind, um durch eine chemische Reaktion den Überdruck zu erzeugen.

Bei Beispielen kann die Steuereinrichtung ausgelegt sein, um eine Rotationsgeschwindigkeit der Rotation des Fluidikmoduls zu reduzieren, um ein Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zumindest zu unterstützen. Bei solchen Beispielen kann durch das Reduzieren der Rotationsgeschwindigkeit der hydrostatische Druck, der einem Transfer des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur entgegenwirkt, so reduziert werden, dass der in der Fluidkammer erzeugte und/oder verbliebene Überdruck den dem Fluss des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur entgegenstehenden hydrostatischen Druck überwiegt.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Steuereinrichtung ausgelegt sein, um nach dem Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur und nach einem Abbauen des Überdrucks in dem Luftvolumen in der Fluidkammer die Druckerzeugungseinrichtung zu steuern, um einen Überdruck in dem Luftvolumen in der Fluidkammer zu erzeugen, der ausreicht, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren.

Die Fluidhandhabungsvorrichtung kann somit ausgelegt sein, um einen Transfer des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur zu bewirken, indem entweder der Überdruck in der Druckkammer erhöht wird, um den entgegenstehenden hydrostatischen Druck zu überwiegen, oder indem der hydrostatische Druck durch Reduzieren der Rotationsgeschwindigkeit verringert wird, so dass der Überdruck in der Fluidkammer überwiegt.

Bei Beispielen weist die Druckerzeugungseinrichtung eine Heizeinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist, um die Heizeinrichtung nach dem Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur abzuschalten, wodurch das Luftvolumen in der Fluidkammer abgekühlt wird, und um die Heizeinrichtung nach dem Abkühlen des Luftvolumens in der Fluidkammer und einem Abbau eines dadurch bedingten Unterdrucks in dem Luftvolumen in der Fluidkammer zu steuern, um das Luftvolumen in der Fluidkammer zu erwärmen, um einen Überdruck in dem Luftvolumen in der Fluidkammer zu erzeugen, der ausreicht, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Beispiele ermöglichen somit einen voneinander unabhängigen Transfer des ersten und zweiten Flüssigkeitsvolumens auf eine flexible Art und Weise.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen Verfahren zum Transferieren eines ersten Flüssigkeitsvolumens aus einem ersten Kammerbereich einer Fluidkammer durch eine erste Auslassstruktur, die einen ersten Auslasskanal aufweist, und eines zweiten Flüssigkeitsvolumens aus einem zweiten Kammerbereich der Fluidkammer durch eine zweite Auslassstruktur, die einen zweiten Auslasskanal aufweist, wobei der erste Kammerbereich und der zweite Kammerbereich durch eine Trennwand, die sich bezüglich eines Rotationszentrums radial nach innen erstreckt, voneinander getrennt sind, wobei ein gemeinsames Luftvolumen radial innerhalb des ersten und zweiten Flüssigkeitsvolumens angeordnet ist, wobei der erste Auslasskanal in den ersten Kammerbereich mündet und für einen Flüssigkeitsfluss aus dem ersten Kammerbereich eine Ausflussbarriere in Form eines radial nach innen ansteigenden Kanalabschnitts, der sich bis zu einer ersten radialen Position erstreckt, aufweist, wobei der zweite Auslasskanal in den zweiten Kammerbereich mündet und für einen Flüssigkeitsfluss aus dem zweiten Kammerbereich eine Ausflussbarriere in Form eines radial nach innen ansteigenden Kanalabschnitts, der sich bis zu einer zweiten radialen Position erstreckt, aufweist, wobei die erste radiale Position radial weiter innen liegt als die zweite radiale Position, so dass ausgehend von einer Rotation, bei der ein auf das erste und das zweite Flüssigkeitsvolumen wirkender hydrostatischer Druck verhindert, dass die Flüssigkeitsvolumen durch die erste und zweite Auslassstruktur aus der Fluidkammer fließen, ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das erste Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren, größer ist als ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das zweite Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck, der auf das zweite Flüssigkeitsvolumen wirkt, durch die zweiten Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Das Verfahren umfasst ein Beaufschlagen des Fluidikmoduls mit einer Rotation, bei der das erste und das zweite Flüssigkeitsvolumen durch den wirkenden hydrostatischen Druck in der Fluidkammer gehalten werden, und ausgehend von dieser Rotation, ein Erzeugen eines Überdrucks in dem gemeinsamen Luftvolumen, der ausreicht, um das zweite Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck aus der Fluidkammer zu transferieren, und nachfolgend ein Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer.

Bei Beispielen sind in der Fluidkammer zwei Stickpacks vorgelagert, wobei das radial äußere Ende des einen Stickpacks in dem ersten Kammerbereich angeordnet ist und das radial äußere Ende des anderen Stickpacks in dem zweiten Kammerbereich angeordnet ist. Bei Beispielen weist das Verfahren ein Öffnen der Stickpacks auf, um zu ermöglichen, dass die Flüssigkeiten die Stickpacks verlassen. Bei Beispielen kann das Öffnen der Stickpacks während des Prozessierens durch eine Kombination aus Zentrifugalkraft und Temperatur erfolgen.

Bei Beispielen weist das Verfahren zum Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens aus der Fluidkammer ein Erhöhen des Überdrucks, beispielsweise durch ein Erwärmen des gemeinsamen Luftvolumens, und/oder ein Reduzieren des hydrostatischen Drucks, beispielsweise durch ein Reduzieren der Rotationsgeschwindigkeit, auf.

Bei Beispielen des Verfahrens reicht Überdruck, der erzeugt wird, um das zweite Flüssigkeitsvolumen aus der Fluidkammer zu transferieren, nicht aus, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck aus der Fluidkammer zu transferieren. Bei Beispielen des Verfahrens weist das Erzeugen des Überdrucks das Erwärmen des gemeinsamen Luftvolumens oder das Bewirken einer chemischen Reaktion in der Fluidkammer auf. Beispiele des Verfahrens weisen ein Reduzieren einer Rotationsgeschwindigkeit der Rotation des Fluidikmoduls auf, um ein Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu unterstützen und/oder zu bewirken. Bei solchen Beispielen kann das Verfahren nach dem Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur das Reduzieren der Rotationsgeschwindigkeit der Rotation des Fluidikmoduls aufweisen, um den auf das erste Flüssigkeitsvolumen wirkenden hydrostatischen Druck so zu reduzieren, dass der Überdruck in dem Luftvolumen in der Fluidkammer ausreicht, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Bei Beispielen des Verfahrens findet nach dem Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur ein Abbauen des Überdrucks in dem Luftvolumen in der Fluidkammer statt. Das Abbauen des Überdrucks kann beispielsweise durch die zweite Auslassstruktur und/oder einen zusätzlichen Entlüftungskanal stattfinden. Nach dem Abbauen des Überdrucks findet bei Beispielen ein Erzeugen eines Überdrucks in dem Luftvolumen in der Fluidkammer statt, der ausreicht, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren. Bei solchen Beispielen kann nach dem Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur eine Heizeinrichtung, die zur Erzeugung des Überdrucks verwendet wird, abgeschaltet werden, um das Luftvolumen in der zweiten Fluidkammer abzukühlen. Nach einem Abbau eines durch das Abkühlen bedingten Unterdrucks in dem Luftvolumen kann dann das Luftvolumen in der Fluidkammer erwärmt werden, um einen Überdruck in dem Luftvolumen zu erzeugen, der ausreicht, um das erste Flüssigkeitsvolumen gegen den hydrostatischen Druck durch die erste Auslassstruktur aus der Fluidkammer zu transferieren.

Bei Beispielen des Verfahrens bleibt oder wird im Anschluss an das Transferieren des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die zweite Auslassstruktur die zweite Auslassstruktur zumindest teilweise mit Flüssigkeit gefüllt, so dass der fluidische Widerstand der zweiten Auslassstruktur beim Transfer des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur durch die Viskosität der Flüssigkeit in der zweiten Auslassstruktur bestimmt wird.

Ist hierin davon die Rede, dass ein Flüssigkeitsvolumen transferiert wird, kann dies bedeuten, dass das die gesamte Flüssigkeit des Flüssigkeitsvolumens transferiert wird oder zumindest ein Großteil des Flüssigkeitsvolumens transferiert wird. Bei Beispielen kann somit ein Teil der Flüssigkeit des transferierten Flüssigkeitsvolumens in der Ausgangsstruktur oder der Transferstruktur verbleiben.

Beispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit ein platzsparendes Konzept durch eine mehrmalige Nutzung einer Fluidkammer als Pumpstruktur. Bei Beispielen kann die Fluidkammer genutzt werden, um mehrere Flüssigkeiten beziehungsweise Flüssigkeitsvolumina durch verschiedene Auslasskanäle zu pumpen. Beispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine mikrofluidische Struktur, mit der zwei räumlich getrennte Flüssigkeiten, die innerhalb einer einzelnen Kammer vorliegen, gezielt in Bereiche einer mikrofluidischen Kartusche gepumpt werden können. Dabei kann der Transport der Flüssigkeit lediglich durch eine Überdruckerzeugung, beispielsweise eine Temperaturerhöhung, bewerkstelligt werden. Dabei werden keine zusätzlichen pneumatischen Kammern benötigt, wodurch ein kompakter Aufbau möglich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Fluidikmodul gemäß einem Beispiel;

Fig. 2A bis 2D schematisch Darstellungen eines Beispiels eines Fluidikmoduls während unterschiedlicher Betriebsphasen;

Fig. 3A bis 3D schematisch Ansichten eines Beispiels eines Fluidikmoduls während unterschiedlicher Betriebsphasen;

Fig. 4 schematisch ein weiteres Beispiel eines Fluidikmoduls;

Fig. 5 bis 7 schematisch Beispiele von Fluidikmodulen, bei denen

Fluidikstrukturen ausgelegt sind, um eine Druckerzeugung in der Fluidkammer zum Transfer der ersten Flüssigkeit zu unterstützen; und

Fig. 9A und 9B schematisch Darstellungen von Beispielen von

Fluidhandhabungsvorrichtungen.

Detaillierte Beschreibung

Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, typischerweise weggelassen sein kann. Insbesondere können gleiche oder ähnliche Elemente jeweils mit Bezugszeichen versehen sein, die eine gleiche Zahl mit einem unterschiedlichen oder keinem Kleinbuchstaben aufweisen. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, können gegeneinander austauschbar sein. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.

Bevor Beispiele der vorliegenden Offenbarung näher erläutert werden, werden Definitionen einiger hierin verwendeter Begriffe angegeben.

Der fluidische Widerstand eines Kanals kann definiert werden als Quotient des Druckabfalls Ap in einem Kanal und der Flussrate q: R = p/q. In Abhängigkeit der Kanalquerschnittsgeometrie kann der Druckabfall analytisch hergeleitet beziehungsweise angenähert werden. Der fluidische Widerstand eines Kanals kann beispielsweise durch Messen des Druckabfalls und der Flussrate ermittelt werden. Ist hierein nichts Anderes angegeben, ist davon auszugehen, dass jeweils fluidische Widerstände für gleiche Fluide bei gleichen Temperaturen verglichen werden.

Durch die bei einer Zentrifugation bedingte Rotation wirkt ein hydrostatischer Druck. Der hydrostatische Druck pHydrostatisch auf eine Flüssigkeitssäule in einem Kanal im zentrifugalen Schwerefeld kann mit folgender Formel berechnet werden:

Dabei steht p für die Dichte der Flüssigkeit, w für die Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Kanal um das Rotationszentrum dreht, r _a für den äußeren Radius der Flüssigkeitssäule und n für den inneren Radius der Flüssigkeitssäule.

Der gesamte in einer Fluidkammer, die teilweise mit einer Flüssigkeit und teilweise mit einem Gas, wie z.B. Luft gefüllt ist, erzeugte Druck setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, einem durch das ideale Gasgesetz erzeugten Druck und einem durch das Verdunsten der Flüssigkeiten entstehenden Dampfdrucks. Der gesamte Druck des Systems pcesamt kann durch folgende Formel beschrieben werden:

Hierbei beschreiben p _Gas den Druck, der durch das ideale Gasgesetz erzeugt wird, und Püampf den Druck, der durch die verdunstete Flüssigkeit erzeugt wird. Die Formel für den Anteil des Dampfdrucks sind in der Regel empirisch bestimmte Korrelationen, die für jede Flüssigkeit individuell bestimmt werden und von der Temperatur abhängen. <j> beschreibt die relative Feuchtigkeit der Luft. Bei 100% ist die Luft vollständig mit einer Flüssigkeit gesättigt. In mikrofluidischen Strukturen ist die Luft in der Regel vollständig gesättigt.

Beispiele von Fluidikstrukturen, z.B. mikrofluidischen Strukturen, sind Fluidkanäle und Fluidkammern. Fluidikstrukturen können eine Überlaufstruktur definieren, mit deren Hilfe Flüssigkeitsvolumen abgemessen werden können. Grundprinzip ist hierbei, dass die Flüssigkeit zunächst eine Kammer mit definiertem Volumen füllt und die verbleibende Flüssigkeit danach in eine weitere Kammer transportiert wird. Kompressionskammern sind Kammern, die entweder keine oder nur eine Entlüftung mit hohem fluidischem Widerstand besitzen. Dadurch lässt sich in diesen Kammern ein Druck pcesamt aufbauen, der in der oben definierten Formel beschrieben ist.

Ist nichts Anderes angegeben, kann unter einem Überdruck hierin die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck (meist Atmosphärendruck: patm -1013 hPa) und einem generierten höheren Druck (> patm) verstanden werden, während unter einem Unterdrück hierin die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und einem generierten niedrigeren Druck (< patm) verstanden werden kann.

Unter den Ausdruck Flüssigkeit, wie er hierin verwendet wird, fallen, wie Fachleuten offensichtlich ist, insbesondere auch Flüssigkeiten, die Feststoffbestandteile beinhalten, wie z.B. Suspensionen, biologische Proben und Reagenzien. Insbesondere fallen darunter Pufferlösungen, wie z.B. Lysepuffer, Bindepuffer, Waschpuffer und Elutionspuffer, wie sie bei einer Laboranalytik und mobilen Diagnostik Anwendung finden. Unter einem invertierten Siphonkanal wird hierin ein mikrofluidischer Kanal oder Abschnitt eines mikrofluidischen Kanals in einem Fluidikmodul (einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche) verstanden, bei dem Eingang und Ausgang des Kanals einen größeren Abstand vom Rotationszentrum aufweisen als ein Zwischenbereich des Kanals. Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich eines inversen Siphonkanals in einem Fluidikmodul mit minimalem Abstand vom Rotationszentrum zu verstehen.

Unter einem Fluidikmodul ist hierein ein Modul, beispielsweise eine Kartusche zu verstehen, das Mikrofluidikstrukturen aufweist, die ausgelegt sind, um eine Flüssigkeitshandhabung, wie sie hierin beschrieben ist, zu ermöglichen. Unter einem zentrifugalen mikrofluidischen Fluidikmodul (Kartusche) ist ein entsprechendes Modul zu verstehen, das einer Rotation unterworfen werden kann, beispielsweise in Form eines in einen Rotationskörper einsetzbaren Fluidikmoduls oder eines Rotationskörpers.

Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr als 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand bzw. fluidischen Widerstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierein eine Kammer die solche Abmessungen aufweist, dass bei der Durchströmung der Kammer ein im Vergleich zu verbundenen Kanälen vernachlässigbarer Strömungswiderstand auftritt, der beispielsweise 1/100 oder 1/1000 des Strömungswiderstands der an die Kammer angeschlossenen Kanalstruktur mit kleinstem Strömungswiderstand betragen kann.

Beispiele der Erfindung können insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen.

Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist, weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.

Ist hierin nichts Anderes angegeben, ist hinsichtlich temperaturabhängiger Größen jeweils von Raumtemperatur (20°C) auszugehen.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf mikrofluidische Strukturen auf einer zentrifugal-mikrofluidischen Kartusche, mithilfe derer Flüssigkeiten über Kanäle aus einer Kammer zu unterschiedlichen Bereichen auf der Kartusche transportiert werden können. Hierbei befinden sich mindestens zwei Flüssigkeitsvolumen in räumlich getrennten Kammerbereichen, die als Kompartimente bezeichnet werden können, in einer Kammer. Über das Luftvolumen in der Kammer ist es möglich, auf verschiedene Flüssigkeiten einen Druck, beispielsweise pneumatisch-thermisch induziert, auszuüben. Die Flüssigkeiten können durch Kanäle, die in die jeweiligen Kammerbereiche münden, aus dieser Kammer herausgepumpt werden. Dabei kann mindestens einer dieser Kanäle einen solchen hohen fluidischen Widerstand aufweisen, dass im Falle eines kompletten Flüssigkeitstransfers durch diesen Kanal ein schlagartiger Druckabfall in der gemeinsamen Kammer nicht möglich ist. Mit anderen Worten kann der fluidische Widerstand dieses Kanals so hoch sein, dass auch für den Fall, dass dieser Kanal als Entlüftungskanal wirkt, ein Überdruck in der gemeinsamen Kammer erzeugt werden kann, der ausreicht, um die Flüssigkeit aus dem anderen Kammerbereich durch den anderen Kanal zu transferieren. Die beschriebenen Strukturen ermöglichen also ein zeitversetztes oder auch gleichzeitiges Pumpen von verschiedenen Flüssigkeiten aus einer einzelnen Kammer in verschiedene Bereiche einer mikrofluidischen Kartusche und somit eine erhöhte Integrationsdichte der Mikrofluidik.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Fluidikmodul mit mikrofluidischen Strukturen, die ein Transferieren verschiedener Flüssigkeiten aus der gleichen Fluidkammer ermöglichen. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Fluidikmoduls 10, das Fluidikstrukturen aufweist, die eine Fluidkammer 12, einen ersten Auslasskanal 14 und einen zweiten Auslasskanal 16 aufweisen. Die Fluidkammer 12 weist einen ersten Kammerbereich 24 und einen zweiten Kammerbereich 26 auf. Das Fluidikmodul 10 ist um ein Drehzentrum oder Rotationszentrum R drehbar und kann als ein Rotationskörper oder als ein in einen Rotationskörper einsetzbares Modul ausgebildet sein. Der erste Kammerbereich 24 und der zweite Kammerbereich 26 sind durch eine Trennwand 28, die sich bezüglich des Rotationszentrums R radial nach innen erstreckt, voneinander getrennt. Die Trennwand 28 weist eine solche radiale Höhe auf, dass die beiden Flüssigkeitsvolumina voneinander getrennt sind, wenn sie zentrifugal in radial äußere Abschnitte der Kammerbereiche 24, 26 getrieben werden. Somit ist ein erstes Flüssigkeitsvolumen 30 in dem ersten Kammerbereich 24 getrennt von einem zweiten Flüssigkeitsvolumen 32 in dem zweiten Kammerbereich 26 vorlagerbar. Entsprechende Flüssigkeitsvolumina 30 und 32 sind in Fig. 1 gezeigt. Die Flüssigkeitsvolumina sind in den jeweiligen Kammerbereichen beispielsweise vorlagerbar, indem zwei Stickpacks in die Kammer 12 eingelegt sind, die im radial einwärts befindlichen Teil überlappen und deren Enden sich jeweils in einem der zwei Kammerbereiche 24, 26 befinden. Werden die Stickpacks geöffnet und ausgeschleudert, befinden sich die zwei enthaltenen Flüssigkeitsvolumina jeweils in dem ersten Kammerbereich 24 beziehungsweise dem zweiten Kammerbereich 26. Diese beiden Flüssigkeitsvolumina können die gleiche Flüssigkeit oder verschiedene Flüssigkeiten sein. Durch Rotation des Fluidikmoduls 10 um das Rotationszentrum R besteht ein zentrifugales Schwerefeld, das eine Vermischung der beiden Flüssigkeiten aufgrund der geometrischen Ausführung der Kammer mit der radial nach innen ragenden Trennwand 28 verhindert.

Bei Beispielen können die Kammerbereiche 24 und 26 in Draufsicht auf das Fluidikmodul jeweils eine längliche Form aufweisen, die sich in unterschiedliche radiale Richtungen erstrecken, wobei innere Enden der Kammerbereiche überlappen und somit einen gemeinsamen Fluidkammerbereich definieren. Somit ist es möglich, auf platzsparende Weise zwei Stickpacks in eine gemeinsame Kammer einzulegen, wobei die darin enthaltenen Flüssigkeiten in räumlich voneinander getrennten Kammerbereichen vorlagerbar sind.

An beide Kammerbereiche ist jeweils ein mikrofluidischer Kanal angeschlossen, üblicherweise, aber nicht zwangsläufig am radial äußersten Punkt des Kammerbereichs. So ist der erste Auslasskanal 14 mit einem radial äußeren Abschnitt des ersten Kammerbereichs 24 fluidisch gekoppelt und der zweite Auslasskanal 16 ist mit einem radial äußeren Abschnitt des zweiten Kammerbereichs 26 fluidisch gekoppelt. Der erste Auslasskanal mündet somit in den ersten Kammerbereich 24 und weist für einen Flüssigkeitsfluss aus dem ersten Kammerbereich 24 eine Ausflussbarriere in Form eines radialen ansteigenden Kanalabschnitts 14a, der sich bis zu einer ersten radialen Position Pi erstreckt, auf. Der zweite Auslasskanal 16 mündet in den zweiten Kammerbereich 26 und weist für einen Flüssigkeitsfluss aus dem zweiten Kammerbereich 26 eine Ausflussbarriere in Form eines radial nach innen ansteigenden Kanalabschnitts 16a, der sich bis zu einer zweiten radialen Position P2 erstreckt, auf. Die erste radiale Position Pi liegt radial weiter innen als die zweite radiale Position P ₂ . Bei Beispielen können einer oder beide der Auslasskanäle 14 und 16 an der radialen Position Pi, P ₂ in eine Fluidkammer münden. Bei Beispielen können der erste Auslasskanal 14 und/oder der zweite Auslasskanal 16 einen inversen Siphonkanal aufweisen, dessen Scheitel an der ersten radialen Position Pi beziehungsweise zweiten radialen Position P ₂ liegt.

Das Fluidikmodul 10 ist mit einer Rotation beaufschlagbar, bei der ein auf das erste und das zweite Flüssigkeitsvolumen wirkender hydrostatischer Druck verhindert, dass die Flüssigkeitsvolumina durch den ersten und zweiten Auslasskanal 14, 16 aus der Fluidkammer 12 fließen. Über den Flüssigkeitsvolumina 30 und 32 ist ein gemeinsames Luftvolumen in der Fluidkammer 12 angeordnet. Ausgehend von einer solchen Rotation ist ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das erste Flüssigkeitsvolumen 30 gegen den hydrostatischen Druck, der auf das erste Flüssigkeitsvolumen 30 wirkt, durch den ersten Auslasskanal 14 aus der Fluidkammer 12 zu transferieren, größer als ein Überdruck in dem gemeinsamen Luftvolumen, der erforderlich ist, um das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 gegen den hydrostatischen Druck, der auf das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 wirkt, durch den zweiten Auslasskanal 16 aus der Fluidkammer 12 zu transferieren. Um dies zu erreichen, können die beiden Kanäle unterschiedliche radiale Siphonhöhen und/oder unterschiedliche fluidische Widerstände aufweisen.

Die Fluidkammer 12 kann als Kompressionskammer ausgebildet sein, die außer dem ersten und zweiten Auslasskanal fluiddicht ist, also keine Entlüftungsöffnungen aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann optional ein Entlüftungskanal 34 vorgesehen sein, der die Fluidkammer 12 fluidisch mit weiteren Fluidikstrukturen des Fluidikmoduls 10 oder der Außenwelt verbindet. Fig. 2A zeigt schematisch Fluidikstrukturen des Fluidikmoduls 10, bei dem der erste Auslasskanal 14 einen ersten inversen Siphon S1 und der zweite Auslasskanal 16 einen zweiten inversen Siphon S2 aufweist. Ein Scheitel des ersten inversen Siphons S1 liegt an der radialen Position Pi und ein Scheitel des zweiten inversen Siphons S2 liegt an der radialen Position P ₂ . Wie in Fig. 2A schematisch dargestellt ist, weist der zweite Auslasskanal 16 einen fluidischen Widerstand 36 auf. Der fluidische Widerstand 36 ist ausreichend groß, um nach einem vollständigen Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens 32 durch den zweiten Auslasskanal 16 zu ermöglichen, dass in dem gemeinsamen Luftvolumen 12 ein solcher Überdruck aufgebaut werden kann, dass das erste Flüssigkeitsvolumen 30 durch den ersten Auslasskanal 14 transferiert werden kann.

Bevor Bezug nehmend auf die Fig. 2A bis 2D und 3A bis 3D und 4 bis 8 Beispiele erfindungsgemäßer Fluidhandhabungsvorrichtungen und Beispiele erfindungsgemäßer Verfahren beschrieben werden, werden zunächst Bezug nehmend auf die Fig. 9A und 9B allgemeine Merkmale von Beispielen erfindungsgemäßer Fluidhandhabungsvorrichtungen beschrieben.

Die Fig. 9A und 9B zeigen Beispiele von zentrifugal-mikrofluidischen Systemen bzw. Fluidhandhabungsvorrichtungen, die ein Fluidikmodul, wie es hierin beschrieben ist, verwenden bzw. aufweisen. Mit anderen Worten kann das Fluidikmodul bei den Systemen in den Figuren 9A und 9B ein beliebiges der hierein beschrieben Fluidikmodule sein. Die Fluidhandhabungsvorrichtungen weisen jeweils das Fluidikmodul, eine Antriebseinrichtung, eine Druckerzeugungseinrichtung und eine Steuereinrichtung auf.

Fig. 9A zeigt eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit einem Fluidikmodul 1 10, einer Antriebseinrichtung 120, einer Druckerzeugungseinrichtung 140 und einer Steuereinrichtung 124. Das Fluidikmodul 110 ist ein Rotationskörper, der ein Substrat 112 und einen Deckel 114 aufweist. Das Substrat 1 12 und der Deckel 114 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 1 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 116 an einem rotierenden Teil 118 der Antriebseinrichtung 120 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 1 18 ist drehbar an einem stationären Teil 122 der Antriebseinrichtung 120 gelagert. Bei der Antriebseinrichtung 120 kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge, die eine einstellbare Drehgeschwindigkeit aufweisen kann, oder auch ein CD- oder DVD- Laufwerk handeln. Die Steuereinrichtung 124 ist ausgelegt, um die Antriebseinrichtung 120 zu steuern, um den Rotationskörper 1 10 mit einer Rotation oder mit Rotationen unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, und um die Druckerzeugungseinrichtung 140 zu steuern. Die Steuereinrichtung 124 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 124 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebseinrichtung 120 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken, und/oder die Druckerzeugungseinrichtung 140 zu steuern. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 124 konfiguriert sein, um die Antriebseinrichtung 120 zu steuern, um den Rotationskörper 1 10 mit der erforderlichen Rotation zu beaufschlagen, und/oder die Druckerzeugungseinrichtung 140 zu steuern, um Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Als Antriebseinrichtung 120 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.

Der Rotationskörper 1 10 weist die Fluidikstrukturen auf, wie sie hierein beschrieben sind. Die erforderlichen Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 114, dem Substrat 112 oder in dem Substrat 1 12 und dem Deckel 1 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 1 12 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 1 14 gebildet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet. Bei Beispielen kann der Deckel abnehmbar sein, um beispielsweise zu ermöglichen, dass Stickpacks in die Fluidkammer eingebracht werden. Bei Beispielen können die Stickpacks eingebracht werden, bevor der Deckel an dem Substrat abnehmbar oder dauerhaft angebracht wird.

Bei einem alternativen in Fig. 9B gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 132 in einen Rotor 130 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 130 den Rotationskörper 1 10. Die Fluidikmodule 132 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 130 und die Fluidikmodule 132 gebildete Rotationskörper 110 ist wiederum durch die Antriebseinrichtung 120, die durch die Steuereinrichtung 124 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar. Ferner ist wiederum die Druckerzeugungseinrichtung 140, die durch die Steuereinrichtung 124 steuerbar ist, in Fig. 9B gezeigt.

In den Figuren 9A und 9B ist das Rotationszentrum, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, wiederum mit R bezeichnet.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die Fluidikstrukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 1 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper aus einem Thermoplast, wie z.B. PP (Polypropylen), PC, COP (Cyclic Olefin Polymer), COC (Cyclo Olefin Copolymer) oder PS (Polystyrol) gebildet sein.

Bei Beispielen kann die Druckerzeugungseinrichtung 140 eine Heizeinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, um das gemeinsame Luftvolumen in der Fluidkammer zu erwärmen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise als Kontaktheizung ausgebildet sein, um das Fluidikmodul lokal oder global zu erwärmen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise in dem rotierenden Teil 118 der Antriebseinrichtung 120 oder in dem Rotor 130 vorgesehen sein. Alternativ kann die Heizeinrichtung auch als kontaktfreie Heizung, die das Fluidikmodul beispielsweise mittels Strahlungswärme erwärmt, ausgebildet sein.

Entsprechende Fluidhandhabungsvorrichtungen können konfiguriert sein, um Operationen und Verfahren, wie sie nachfolgend beschrieben sind, zu implementieren.

Wie in Fig. 2A gezeigt ist, steuert im Ausgangszustand die Steuereinrichtung 124 die Antriebseinrichtung 120, um das Fluidikmodul 10 mit einer Rotationsfrequenz fi zu drehen. Bei einer solchen Rotation befindet sich das Fluidikmodul 10 im Ausgangszustand, in dem sich das erste Flüssigkeitsvolumen 30 in dem ersten Kammerbereich 24 befindet und sich das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 in dem zweiten Kammerbereich 26 befindet. Die Flüssigkeitsvolumina werden durch die Rotation mit der Frequenz fi über die Zentrifugalkraft in Position gehalten. Bei den im Folgenden beschriebenen Beispielen wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Druckerzeugungseinrichtung um eine Heizeinrichtung handelt. Bei alternativen Beispielen können andere Druckerzeugungseinrichtungen, beispielsweise solche, die Stoffe in der Fluidkammer aufweisen, die ausgelegt sind, um durch eine chemische Reaktion den Überdruck zu erzeugen, oder solche, die durch mechanische Bewegung, beispielsweise mittels einer Pumpmembran, einen Überdruck erzeugen, implementiert sein.

Im Folgenden werden Beispiele erfindungsgemäßer Verfahren Bezug nehmend auf die in den Fig. 2A bis 2D und 3A bis 3D gezeigten Fluidikmodule beschrieben. Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass die Steuereinrichtung der Fluidhandhabungsvorrichtung jeweils konfiguriert ist, um die Antriebseinrichtung und die Druckerzeugungseinrichtung jeweils zu steuern, um die entsprechenden Funktionalitäten zu implementieren.

Ausgehend von dem in Fig. 2A gezeigten Zustand wird durch eine Temperaturerhöhung ein Überdruck p _Ge samt in der Fluidkammer 12 erzeugt, wie dies in Fig. 2B gezeigt ist. Die Heizeinrichtung ist dabei ausgelegt, um zumindest einen Bereich 50 des Fluidikmoduls, der zumindest einen Teil der Fluidkammer 12 umfasst, zu erwärmen. Durch die Erwärmung dehnt sich das in der Fluidkammer 12 befindliche gemeinsame Luftvolumen aus, wodurch ein Überdruck erzeugt wird. Dieser Überdruck wirkt der zentrifugalen Kraft, die in den Kanälen 14 und 16 auf die Flüssigkeitsvolumina wirkt, entgegen. Der auf das erste Flüssigkeitsvolumen 30 wirkende hydrostatische Druck beim Erreichen des Punktes P1 der ersten Flüssigkeit ist dabei in Fig. 2B mit Api bezeichnet und der auf das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 wirkende hydrostatische Druck beim Erreichen des Punktes P2 der zweiten Flüssigkeit ist dabei in Fig. 2B als Ap2 bezeichnet. Wie in Fig. 2B zu erkennen ist, ist der auf das erste Flüssigkeitsvolumen 30 wirkende hydrostatische Druck beim Erreichen des Punktes P1 größer als der auf das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 wirkende hydrostatische Druck beim Erreichen des Punktes P2. Die Druckerzeugungseinrichtung wird dabei derart gesteuert, dass der Überdruck p _Ge samt derart eingestellt wird, dass er kleiner ist als der hydrostatische Druck Api und größer ist als der hydrostatische Druck Ap2. Dadurch reicht der erzeugte Überdruck nicht aus, um den hydrostatischen Druck Api zu überwinden und das erste Flüssigkeitsvolumen 30 wird nicht durch den ersten Auslasskanal 14 transferiert und bleibt in der Fluidkammer 12. Da der hydrostatische Druck Ap2 geringer ist als der Überdruck p _GeS amt, wird das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 durch den zweiten Auslasskanal 16 aus der Fluidkammer 12 beispielsweise in eine weiterführende Struktur (nicht gezeigt) transportiert. Dies ist in Fig. 2C durch einen Pfeil 60 gezeigt. Durch den hohen fluidischen Widerstand 36 des zweiten Auslasskanals 16 bleibt ausreichend Druck in der Fluidkammer 12 erhalten, auch wenn das Flüssigkeitsvolumen 32 komplett transferiert wurde. Durch Verringern der Rotationsfrequenz von der Frequenz fi auf eine Frequenz f2 kann nun der zentrifugale Gegendruck Api gesenkt werden, so dass der verbliebene Überdruck p _Ge samt für den Transport des Flüssigkeitsvolumens 30 durch den ersten Auslasskanal 14 aus der Fluidkammer 12 genutzt werden kann, wie in Fig. 2D durch einen Pfeil 62 gezeigt ist. Die Verringerung der Rotationsfrequenz, wie sie in Fig. 2D gezeigt ist, findet dabei zu einem Zeitpunkt statt, zu dem der Überdruck in der Fluidkammer 12 noch nicht durch den als Entlüftungskanal wirkenden zweiten Auslasskanal abgebaut wurde.

Somit ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung einen Transfer der beiden Flüssigkeitsvolumina 30, 32 aus der Fluidkammer 12 unabhängig voneinander. Beispiele ermöglichen somit einen sequenziellen Transport zweier Flüssigkeitsvolumina aus der gleichen Fluidkammer.

Gemäß Beispielen ist die Steuereinrichtung somit ausgelegt, um die Druckerzeugungseinrichtung zu steuern, um einen solchen Überdruck in der Fluidkammer zu erzeugen, dass das zweite Flüssigkeitsvolumen, d.h. die zweite Flüssigkeit, aus der Fluidkammer transferiert wird, nicht jedoch das erste Flüssigkeitsvolumen. Das erste Flüssigkeitsvolumen, d.h. die erste Flüssigkeit, kann dann auf unterschiedliche Arten aus der Fluidkammer transferiert werden. Wie oben Bezug nehmend auf die Fig. 2A bis 2D beschrieben wurde, kann zum Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens die Rotationsfrequenz gesenkt werden. Alternativ kann die Steuereinrichtung konfiguriert sein, um die Druckerzeugungseinrichtung zu steuern, um nach dem Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens einen solchen Überdruck in der Fluidkammer zu erzeugen, dass das erste Flüssigkeitsvolumen aus der Fluidkammer transferiert wird.

Ein weiteres Beispiel, wie das erste Flüssigkeitsvolumen aus der Fluidkammer transferiert werden kann, wird nun Bezug nehmend auf die Fig. 3A bis 3D beschrieben. Fig. 3A zeigt dabei wiederum den Zustand, wie er auch in Fig. 2B gezeigt und Bezug nehmend darauf beschrieben wurde. Durch den Überdruck p _Ge samt wird wiederum das zweite Flüssigkeitsvolumen 32 durch den zweiten Auslasskanal 16 aus der Fluidkammer 12 transferiert. Nach dem Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens aus der Fluidkammer 12 wirkt der zweite Auslasskanal 16 als Entlüftungskanal, durch den unter konstanter Rotation ein Druckausgleich durchgeführt werden kann, durch den der Druck in der Fluidkammer 12 abgebaut wird, wie in Fig. 3B gezeigt ist. Wird die Fluidkammer nun wieder auf Umgebungstemperatur gekühlt, entsteht in der Fluidkammer 12 ein Unterdrück, der nun ebenfalls durch den zweiten Auslasskanal 16 abgebaut werden kann, wie in Fig. 3C gezeigt ist. Dadurch ist das System wieder im Gleichgewicht und andere Operationen können gleichzeitig auf dem Fluidikmodul, der Kartusche, durchgeführt werden, ohne kontinuierlich heizen zu müssen. Ein Aufheizen bei gleichzeitig niedriger Rotationsfrequenz kann dann genutzt werden, um den relativ geringen zentrifugalen Gegendruck im ersten Auslasskanal 14 durch einen hohen pneumatischen Druck pcesamt in der Fluidkammer 12 zu überwinden und somit den Transport des ersten Flüssigkeitsvolumens 30 aus der Fluidkammer 12 zu initiieren, wie in Fig. 3D gezeigt und durch einen Pfeil 66 angedeutet ist. Wiederum markiert der Rahmen 50 dabei in den Fig. 3A bis 3D einen möglichen gemeinsam beheizten Raum.

Bei dem Bezug nehmend auf die Fig. 3A bis 3D gezeigten Beispiel wurde die Rotationsfrequenz abgesenkt, um bei gleichzeitigem Heizen das erste Flüssigkeitsvolumen aus der Fluidkammer zu transferieren. Ein Reduzieren der Rotationsfrequenz zum Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens ist nicht erforderlich, wenn der Druck in der Fluidkammer 12 so erhöht wird, dass er höher ist als der hydrostatische Druck bei gleichbleibender Rotationsfrequenz.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Fluidikmoduls 10, bei dem mehreren Kanäle mit fluidischem Widerstand aus dem zweiten Kammerbereich 26 in weiterführende Strukturen führen. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist das Fluidikmodul zwei zweite Auslasskanäle 16a und 16b auf, die jeweils einen zweiten inversen Siphon S2a und S2b aufweisen. Die radiale Position des Scheitels der inversen Siphonkanäle S2a und S2b liegt radial außerhalb des Scheitels des Siphonkanals S1 des ersten Auslasskanals 14. Der zweite Auslasskanal 16a weist einen fluidischen Widerstand R2.1 auf und der zweite Auslasskanal 16b weist einen fluidischen Widerstand R2.2 auf. Der fluidische Gesamtwiderstand der mehreren zweiten Auslasskanäle 16a und 16b, das heißt R2.1 -R2.2/(R2.1 +R2.2), ist wiederum so konfiguriert, dass ein Überdruck in der Fluidkammer 12 erzeugt werden kann, der es ermöglicht, das erste Flüssigkeitsvolumen 30 durch den ersten Auslasskanal 14 zu transferieren. Bei Beispielen kann der fluidische Gesamtwiderstand der mehreren zweiten Auslasskanäle 16a, 16b größer sein als der fluidische Widerstand des ersten Auslasskanals 14. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung können die Auslasskanäle so konfiguriert sein, dass sie mit ansteigender Ausflussbarriere absteigende fluidische Widerstände aufweisen. Je weiter radial innen die Position ist, zu der sich der radial nach innen ansteigende Kanalabschnitt eines Auslasskanals erstreckt, desto höher ist die Ausflussbarriere dieses Auslasskanals. Allgemein kann bei Beispielen gelten, dass die Kanäle mit ansteigender Ausflussbarriere absteigende fluidische Widerstände aufweisen.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, können eine oder mehrere Bereichstrennwände 70, die sich von einem radial äußeren Ende des zweiten Kammerbereichs 26 radial nach innen erstrecken, in dem zweiten Kammerbereich 26 vorgesehen sein. Die Bereichstrennwand 70 kann den zweiten Kammerbereich 26 in unterschiedliche Kammerbereichsabschnitte trennen, wobei die mehreren zweiten Auslasskanäle 16a, 16b in unterschiedliche der Kammerbereichsabschnitte münden. Somit ist es möglich, voneinander getrennte Teilvolumina des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch die mehreren zweiten Auslasskanäle 16a, 16b aus der Fluidkammer 12 zu transferieren.

Bei den obigen Beispielen weist die erste Auslassstruktur jeweils einen ersten Auslasskanal auf. Die zweite Auslassstruktur weist bei den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Beispielen jeweils einen Auslasskanal auf und weist bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Auslasskanäle auf. Bei anderen Beispielen können die erste und zweite Auslassstruktur eine andere Anzahl von Auslasskanälen aufweisen, wobei die obigen Ausführungen bezüglich der Auslasskanäle 16a und 16b jeweils analog gelten.

Bei Beispielen weisen der fluidische Widerstand R2 der zweiten Auslassstruktur und der fluidische Widerstand R1 der ersten Auslassstruktur ein solches Verhältnis auf, dass ein für einen Transfer der ersten Flüssigkeit durch die erste Auslassstruktur erforderlicher Druckaufbau möglich ist, auch wenn die zweite Auslassstruktur, bzw. die Auslasskanäle derselben, nicht mit einer Flüssigkeit, sondern mit einem Gas gefüllt sind. Bei solchen Beispielen ist das Widerstandsverhältnis R2/R1 bei Befüllung mit dem gleichen Fluid mindestens ein Faktor 30. Mathematisch kann das Widerstandsverhältnis ausgedrückt werden als: R2/R1 = Cg2*l2/A2 ² /(Cg1 *l1/A1 ² , wobei Cg1 und Cg2 Fachleuten bekannte Konstanten sind, die vom Kanalquerschnitt abhängen, 11 und I2 die Längen der ersten und zweiten Auslasskanals sind, und A1 und A2 die Querschnittflächen des ersten und zweiten Auslasskanals sind. Bei Beispielen weist das Fluidikmodul Fluidikstrukturen auf, die für dafür ausgelegt sind, die Erzeugung eines Überdrucks, der zum Transfer des ersten Flüssigkeitsvolumens benötigt wird, zu unterstützen, indem während dieses Transfers der oder die Auslasskanäle der zweiten Auslassstruktur mit Flüssigkeit zumindest teilweise befüllt sind. Entsprechende Beispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Figuren 5 bis 8 beschrieben. Die Fluidikstrukturen können sicherstellen, dass nach erfolgtem Transfer der zweiten Flüssigkeit durch die zweite Auslassstruktur ein erneutes Befüllen des oder der zweiten Auslasskanäle möglich ist. Dadurch kann aufgrund der um einen Faktor von ca. 50 höheren Viskosität der Flüssigkeit gegenüber dem Gas, z.B. Luft, sichergestellt werden, dass der fluidische Widerstand 36 um einen Faktor von ungefähr 50 höher ist als bei einer Befüllung des zweiten Auslasskanals mit Gas.

Fig.5 zeigt ein Beispiel, bei dem ein nach radial innen ausgeprägter Vorsprung 38, der auch als Trennwand bezeichnet werden kann, in den Kammerbereich 26 integriert ist, der verhindert, dass das komplette Flüssigkeitsvolumen 32 transferiert wird. Durch eine entsprechende Be- oder Entschleunigung des Fluidikmoduls nach dem Transfer des Flüssigkeitsvolumens 32 können Kräfte generiert werden um diesen Vorsprung zu überspülen und somit ein erneutes Befüllen des zweiten Auslasskanals zu ermöglichen. Bei Beispielen kann die Fluidhandhabungsvorrichtung ausgebildet sein, um eine Be- oder Entschleunigung zu bewirken, durch die ein solches Überspülen stattfindet, so dass der in dem Kammerbereich 26 verbliebene Teil des zweiten Flüssigkeitsvolumens in den zweiten Auslasskanal 16 gelangt.

Fig. 6 zeigt eine zusätzliche Kammer 42, die über einen Kanal 40 mit dem Auslasskanal 16c, 16d verbunden ist. Die Kammer 42 kann dabei als Kompressionskammer ausgelegt sein, kann aber auch über einen weiteren Kanal 44 mit der restlichen Fluidik oder der Umgebung (also entlüftet) verbunden sein. Während des Transfers des Flüssigkeitsvolumens 32 durch den Auslasskanal 16c, 16d wird gemäß des Widerstandsverhältnisses der Kanäle 16d und 40 ein Teil des zweiten Flüssigkeitsvolumens in die Kammer 42 transportiert. Nachdem das Flüssigkeitsvolumen 32 durch den Überdruck in Kammer 12 komplett aus dieser transferiert wurde und sich der Überdruck durch die Kanäle 40 und 16d abgebaut hat, wird das in die Kammer 42 transferierte Volumen durch die Zentrifugalkraft wieder in den Auslasskanal 16c und 16d befördert. Die Kammer 42 kann bei alternativen Beispielen auch lediglich als Kanalaufweitung des Auslasskanals 16c, 16d ausgebildet sein. Da Flüssigkeit in der Kammer 42 temporär zwischengelagert wird, beispielsweise zwischen dem Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens und dem Transfer des ersten Flüssigkeitsvolumens, kann sie auch als Zwischenkammer bezeichnet werden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel, bei dem nach dem Transfer des zweiten Flüssigkeitsvolumens durch erneutes Aufheizen der Kammer 12 ein Teil des ersten Flüssigkeitsvolumens 30 verdampft, an den Kammerwänden kondensiert und dann durch Zentrifugation in die Teilkammer 26 befördert wird. Von dort gelangt die Flüssigkeit in den zweiten Auslasskanal, um diesen zumindest teilweise zu befüllen. In einem solchen Beispiel können Strukturen in die Kammer oder Kammerwand (48) eingebracht sein, die es ermöglichen, einen Großteil der kondensierten Flüssigkeit in die T eilkammer 26 zu leiten.

Fig. 8 zeigt ein Beispiel, bei dem die Verbindung zwischen dem Auslasskanal 16 und einer nachfolgenden Kammer 52 so gestaltet ist, dass ein Teil des transferierten Flüssigkeitsvolumens 32 nicht in die nachfolgende Kammer 52 gelangt, sondern in einem Kammerbereich 50, in den der Auslasskanal 16 mündet, verbleibt. Dabei sind die Kammerbereiche 52 und 50 durch eine nach radial innen ansteigende Barriere 54 voneinander getrennt. Nach dem Transfer des Flüssigkeitsvolumens 32 kann durch Zentrifugation das in dem Kammerbereich 50 verbleibende Flüssigkeitsvolumen durch Zentrifugation in den Auslasskanal 16 zurückbefördert werden. Bei Beispielen kann die Position M2, die durch das radial innere Ende der Barriere 54 definiert ist, radial weiter innen liegen als die radiale Position des Siphons S2. Bei Beispielen kann die Position M2 radial weiter außen liegen als die radiale Position des Siphons S2. Je nach Lage dieser beiden Positionen befüllen sich entweder Bereiche des gesamten Kanal 16 oder lediglich ein Bereich 16e.

Bei den oben beschriebenen Beispielen weist die Druckerzeugungseinrichtung eine Heizeinrichtung auf. Bei alternativen Beispielen kann die Druckerzeugungseinrichtung ausgebildet sein, um einen Überdruck in der Kammer chemisch zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Gasblasenreaktor in der Fluidkammer verwendet werden, um einen Überdruck in der Fluidkammer zu erzeugen. Dabei kann in der Fluidkammer ein Reaktionsstoff angeordnet sein, der beispielsweise bei Berührung mit einer Flüssigkeit eine Gaserzeugungsreaktion bewirkt. Der Reaktionsstoff (Katalysator) kann auf Wandabschnitten der Fluidkammer vorgesehen sein. Beispielsweise können folgende Reaktionen genutzt werden, indem sie in einer Kammer des Fluidikmoduls ablaufen. Ein Überdruck kann durch eine Sauerstofferzeugung erzeugt werden, beispielsweise über Wasserstoffperoxid, welches mithilfe eines Katalysators, beispielsweise Mangandioxid, in Wasser und Sauerstoff gewandelt wird. Eine Druckerzeugung kann auch über eine Stickstofferzeugung erfolgen, beispielsweise über Ammoniumnitrat, das in Wasser, Sauerstoff und Stickstoff gewandelt wird. Eine Druckerzeugung kann auch über eine Kohlendioxiderzeugung erfolgen, beispielsweise über Kalziumcarbonat, das mit Chlorwasserstoff zu Kalziumchlorid, Wasser und Kohlendioxid reagiert. Bei anderen Beispielen kann eine Druckerzeugung durch eine Wasserstofferzeugung erfolgen, beispielsweise reagieren Magnesium und Wasser zu Magnesiumhydroxid und Wasserstoff. Eine weitere Möglichkeit besteht in der elektrochemischen Erzeugung von Gas. Durch Elektrolyse kann beispielsweise Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Eine entsprechende Druckerzeugung kann in der Fluidkammer oder in mit der Fluidkammer fluidisch verbundenen Strukturen bewirkt werden, solange sichergestellt ist, dass der benötigte Überdruck in der Fluidkammer erzeugt werden kann.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit Vorrichtungen und Verfahren, die es ermöglichen, verschiedene Flüssigkeitsvolumen aus einer Fluidkammer unabhängig voneinander zu transferieren. Bei Beispielen können in der Fluidkammer zwei Stickpacks angeordnet sein, die im Laufe eines Automatisierungsablaufs mittels zentrifugaler Kraft sowie Temperatureintrag geöffnet werden und die darin enthaltene Flüssigkeit wird aus der Fluidkammer gepumpt. Dies ermöglicht es auf platzsparende und einfache Weise, unter Verwendung nur einer Fluidkammer Flüssigkeit aus zwei Stickpacks in verschiedene nachgeschaltete Fluidikstrukturen zu transferieren. Dies ermöglicht die entsprechende Handhabung von Flüssigkeiten mit einem geringeren Platzbedarf und geringeren Anforderungen an das Analysegerät. Beispielsweise ist verglichen mit einem Fall, in dem zwei Stickpackkammern auf einer Kartusche vorgesehen sind, lediglich eine Heizzone statt zweier Heizzonen erforderlich.

Die obigen Ausführungsbeispiele umfassen zwei Kammerbereiche, die eine räumlich voneinander getrennte Vorlagerung von Flüssigkeiten ermöglichen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann eine größere Anzahl von Kammerbereichen mit jeweils zugeordneten Auslasskanälen vorgesehen sein.

Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Fluidikmodul, das um ein Rotationszentrum drehbar ist, das eine Fluidkammer und zwei bis N Auslasskanälen aufweist, wobei in der Fluidkammer mindestens zwei Flüssigkeiten durch Zentrifugalkraft geometrisch getrennt vorgelagert werden können, wobei in der Kammer mindestens zwei Flüssigkeiten über ein gemeinsames Luftvolumen verbunden sind, wobei die Flüssigkeiten durch hydrostatischen Druck durch Rotation in der Fluidkammer gehalten werden können, wobei ein erster Kanal und mindestens ein zweiter Kanal unterschiedliche Ausflussbarrieren bezüglich der hydrostatischen Höhe haben, das heißt unterschiedliche radiale Positionen des höchsten Punktes des Siphons, wobei die Kanäle mit ansteigender Ausflussbarriere absteigende fluidische Widerstände haben können, und wobei der Überdruck in der Fluidkammer chemisch oder physikalisch regelbar ist. Bei Beispielen eines solchen Fluidikmoduls ist die Temperatur der Flüssigkeit und der Luft in der Fluidkammer durch ein Heizelement einstellbar, um den Druck in der Fluidkammer zu steuern. Bei Beispielen kann eine Struktur, die an den Kanal mit der geringsten Ausflussbarriere angrenzt, über einen Kanal entlüftet sein. Bei Beispielen kann eine Struktur, die an den Kanal mit der geringsten Ausflussbarriere angrenzt, während des Transports zu einer Kompressionskammer werden. Bei Beispielen können die Flüssigkeiten die gleiche Flüssigkeit oder unterschiedliche Flüssigkeiten sein. Bei Beispielen kann das Volumen der Flüssigkeiten in den Kammerabschnitten über geometrische Strukturen und/oder eine Überlaufstruktur in der Fluidkammer definiert verteilt werden. Bei Beispielen kann die Fluidkammer durch einen Kanal mit hohem fluidischen Widerstand entlüftet sein. Bei Beispielen können mehrere zweite Auslasskanäle unterschiedliche Widerstände aufweisen. Bei Beispielen kann ein Heizelement vorgesehen sein, um den Überdruck zu bewirken, wobei das Heizelement ausgelegt sein kann, um die Temperatur lokal, nur für die Kammer, oder global, für das gesamte Fluidikmodul, einzustellen.

Generell können die Auslassstrukturen so ausgelegt sein, dass in der Fluidkammer nach dem Transferieren der zweiten Flüssigkeit ein solcher Überdruck erzeugt und beibehalten werden kann, dass auch das erste Flüssigkeitsvolumen durch die erste Auslassstruktur transferiert werden kann. Dies kann durch einen entsprechend höheren fluidischen Widerstand, beispielsweise mindestens 50 mal höheren fluidischen Widerstand der zweiten Auslassstruktur erreicht werden, so dass, selbst wenn die zweite Auslassstruktur mit einem Gas, z.B. Luft, gefüllt ist, eine Entlüftung so langsam stattfindet, dass der Überdruck zum Transferieren des ersten Flüssigkeitsvolumens ausreicht. Bei Beispielen, bei denen während des Transfers des ersten Flüssigkeitsvolumens durch die erste Auslassstruktur Flüssigkeit in zumindest Teilen der zweiten Auslassstruktur angeordnet ist, kann das Widerstandsverhältnis zwischen zweiter Auslassstruktur und erster Auslassstruktur deutlich geringer sein und beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 10 liegen. Zwar wird dann Flüssigkeit durch beide Auslassstrukturen transferiert, jedoch durch die erste Auslassstruktur schneller als durch die zweite Auslassstruktur, so dass das erste Flüssigkeitsvolumen durch die erste Auslassstruktur transferiert werden kann, bevor die Flüssigkeit im zweiten Kammerbereich vollständig durch die zweite Auslassstruktur gelangt ist. Generell kann das Fluidikmodul also derart ausgelegt sein, dass beim Transferieren der ersten Flüssigkeit durch die erste Auslassstruktur ein Volumenstrom durch die erste Auslassstruktur größer ist als ein Volumenstrom (Gas oder auch Flüssigkeit) durch die zweite Auslassstruktur.

Obwohl Merkmale der Erfindung jeweils anhand von Vorrichtungsmerkmalen oder Verfahrensmerkmalen beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, dass entsprechende Merkmale jeweils auch Bestandteil eines Verfahrens oder einer Vorrichtung sein können. So kann jeweils die Vorrichtung konfiguriert sein, um entsprechende Verfahrensschritte durchzuführen, und die jeweilige Funktionalität der Vorrichtung kann entsprechende Verfahrensschritte darstellen

In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist. Die oben beschriebenen Beispiele sind nur darstellend für die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der Einzelheiten, die beschrieben sind, für Fachleute offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nur durch die beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die zum Zwecke der Beschreibung und Erklärung der Beispiele dargelegt sind, begrenzt ist.