Titel

Mikrofluidisches System, Analyseapparat zur Analyse einer Probe und Verfahren zur Handhabung eines Fluidvolumens

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, einen Analyseapparat zur Analyse einer Probe mit einem entsprechenden mikrofluidischen System sowie ein Verfahren zur Handhabung eines Fluidvolumens.

Stand der Technik

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

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

Eine große Herausforderung im Prozessieren von mikrofluidischen Systemen ist die luftblasenfreie Befüllung und das Entfernen von Gaseinschlüssen, wie beispielsweise während dem Betrieb entstehender Luftblasen. In Prototypen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) können Luftblasen einfach durch das Material selbst entfernt werden. Dabei wird das Fluid leicht komprimiert und durch den entstehenden Druck werden die Gase durch das PDMS gedrückt, Fluide in flüssiger Form bleiben zurück. Dies ist eine besondere Materialeigenschaft von PDMS. Für den Anwendermarkt ist PDMS jedoch kein geeignetes Material, da es schwierig ist, dieses Polymer zu verarbeiten. Daher werden in der

Massenproduktion oft Systeme aus luftdichten Polymeren hergestellt. Um blasenfreie Prozesse zu fahren, müssen dazu oft gasdurchlässige Membrane integriert werden oder aufwendige Befüllprozesse gefahren werden.

Luftblasen sind insofern unerwünscht in einem System, dass diese die geplante Fluidströmung beeinflussen und der Prozess nicht mehr ideal ablaufen kann. In optofluidischen Systemen führen diese zur Interferenz der Auswertung. Wird aktiv Temperatur zugeführt, wird dieser Prozess durch Blasen und deren abweichenden Wärmekoeffizient beeinflusst.

In verschiedenen Anwendungen, insbesondere in der Zellkultur, sollten Fluide eine definierte Menge an Gas gelöst haben. So ist zum Beispiel in der Zellkultur von Säugerzellen eine 5% Sättigung von C0 ₂ oder eine bestimmte Menge an 0 ₂ zur Kontrolle eines aeroben Wachstums von Prokaryoten nötig. Diese Sättigung wird in der Regel durch Einströmen des entsprechenden Gases in das Zielfluid realisiert. Dabei entstehen Luftblasen, welche in einer, in der Regel aus luftdichten Polymeren gefertigten, mikrofluidischen Einheite nicht entweichen können. Luftblasen in einem Flusssystem können zudem zur ungewollten Lyse von Säugerzellen führen.

Darüber hinaus sollte die Point-of-care Analyse einer Probe eine schnelle Probenanalyse beinhalten, ohne komplizierte und zeitintensive Arbeitsschritte, die von geschultem Personal in Zentrallaboren ausgeführt werden müssten. Dies kann durch ein Lab-on-Chip-(LoC-)System realisiert werden. Hierbei ist es wünschenswert, das sogenannte ,World-to-Chip-lnterface‘ so zu designen, dass die Probe in einem einfachen, nicht fehleranfälligen Prozess auf den Chip überführt werden kann.

LoC-Systeme werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. In einem Netzwerksystem von Kanälen und Kammern auf mikrofluidischer Basis können die verschiedenen Problemstellungen bearbeitet und unterschiedliche Abläufe programmiert werden. Die möglichen Anwendungen eines LoC-Systems unterscheiden sich in den Abläufen und Prozessen ,on Chip“, aber auch in der Probengewinnung und -aufbereitung in der ,Makrowelt‘. Ein besonderer Fokus liegt bei der Konzipierung eines LoC-Systems insbesondere auf der

Eingabekammer des Chips, dem sogenannten World-to-chip Interface. Dieses sollte auf einem universell einsetzbaren und für viele Anwendungen ausgelegten System eine verlustfreie Aufnahme und Prozessierung verschiedenartiger Proben ermöglichen. Offenbarung der Erfindung

Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 ein mikrofluidisches System, aufweisend eine Kammer und mindestens zwei Kanäle, die jeweils in die

Kammer münden, wobei die Kammer im Bereich einer Oberseite der Kammer eine Öffnung aufweist, über die zumindest ein Teil eines Innenraums der Kammer in direktem Austausch mit einer Atmosphäre steht.

Die hier vorgestellte Lösung erlaubt in vorteilhafter Weise einen dynamischen Prozess zum aktiven Entfernen von Luftblasen und Gasaustausch aus einem mikrofluidischen System. Der Prozess bzw. das System können beispielsweise zur Befüllung und/oder während eines mikrofluidischen Ablaufes verwendet werden. Ein zentraler Aspekt der hier vorgestellten Lösung ist insbesondere eine mikrofluidische Kammer, welche Durchfluss erlaubt und nach oben zur

Atmosphäre offen ist. Durch beispielsweise zirkulierendes Pumpen, können Luftblasen vorteilhaft an die Atmosphäre abgegeben werden, während das blasenfreie Fluid in ein mit dem mikrofluidischen System verbundenes weiteres fluidisches System weitergeleitet werden kann.

Darüber hinaus trägt die hier vorgestellte Lösung insbesondere dazu bei eine fluidische Ermöglichung und Implementierung einer komplexen, mikrofluidischen Probeneingabe und -aufbereitung am Point-of-Care bereitzustellen. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht insbesondere das mehrfache Vorlegen von Materialien und/oder eine fluidische, probenspezifische Integration in eine universelle LoC-(Lab-on-Chip-) Plattform. Die beschriebenen Konzepte lassen sich beispielsweise modulartig kombinieren und können individuelle Lösungen für eine universale LoC-Plattform bieten. Die hier beschriebenen Prozesse finden dabei in der Regel vollständig im World-to-chip Interface, d.h. in der

(Probeneingabe-) Kammer statt.

Bei dem mikrofluidischen System handelt es sich insbesondere um ein System für einen (mikrofluidischen) Analyseapparat zur Analyse einer Probe bzw. um ein System, das (zu Analysezwecken) mit einem Analyseapparat (insbesondere einer Analyseeinrichtung eines Analyseapparats) verbunden werden kann. In diesem Zusammenhang bilden das System und/oder die Kammer insbesondere ein sogenanntes World-to-chip Interface für eine insbesondere universelle LoC- (Lab-on-Chip-) Plattform. Dies bedeutet mit anderen Worte insbesondere, dass es sich bei dem System insbesondere um ein (wechselbares) Eingabesystem handeln kann, welches mit einem Analysegerät verbunden werden kann, beispielsweise um eine ggf. in dem Eingabesystem vorprozessierte (aufbereitete) Probe in das Analysegerät einzubringen. Vorzugsweise weist das System eine (universelle bzw. standardisierte) Schnittstelle auf. Diese Schnittstelle ist insbesondere derart eingerichtet, dass sie mit einer Probenschnittstelle eines Analyseapparats (insbesondere einer Analyseeinrichtung eines Analyseapparats) korrespondiert. In der Schnittstelle des Systems können beispielsweise die Kanäle des Systems münden.

Das mikrofluidische System kann beispielsweise in der Art eines Steckers und/oder Chips gebildet sein, der die Kammer und die Kanäle aufweist. Weiterhin weist dieser Stecker bzw. Chip in der Regel eine Schnittstelle auf, über welche dieser (insbesondere dessen Kanäle) mit einem (mikrofluidschen)

Analysesystem (etwa gebildet durch den Analyseapparat) verbunden werden kann. Dieser Steckers und/oder Chips dient insbesondere zur Probeneingabe in das (mikrofluidische) Analysesystem und/oder zur Vor-Prozessierung der Probe in der Kammer (wenn der Stecker/Chip mit den Analysesystem verbunden ist).

Weiterhin kann das mikrofluidische System als eine Einheit gebildet sein. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass zumindest die Kammer und die zwei Kanäle integral bzw. einstückig gefertigt sein können. Das System kann hierzu beispielsweise gegossen oder schichtweise aufgebaut, insbesondere dreidimensional gedruckt sein. Als Material für das mikrofluidische System wird vorzugsweise ein nicht-luftdurchlässiges Polymer vorgeschlagen, z. B.

Polycarbonat.

Vorzugsweise sind das mikrofluidische System und/oder die Kammer

probenspezifische gebildet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, das mikrofluidische System und/oder die Kammer gezielt für einen Einsatzzweck angepasst bzw. modifiziert sind. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass zum Analysieren verschiedener Proben lediglich das hier beschriebene System gewechselt werden muss, nicht jedoch der gesamte Analyseapparat. Dies trägt zu einem besonders vorteilhaften Einsatz, insbesondere am sog.„Point-of-Care“ bei. Bei der Kammer handelt es sich bevorzugt um eine Eingabekammer, besonders bevorzugt um eine Probeneingabekammer. Insbesondere betrifft die Kammer eine mikrofluidische Kammer zur dynamischen Probeneingabe und/ oder Probenaufbereitung am World-to-chip-lnterface einer LoC-Plattform.

Bei der Atmosphäre kann es sich insbesondere um eine Erdatmosphäre handeln. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Kammer hin zur Umgebung offen sein kann. Alternativ oder kumulativ kann es sich bei der Atmosphäre um eine gezielt mit einem bestimmten Gas angereicherte

Gaszusammensetzung, beispielsweise um eine Erdatmosphäre mit gesteigerten C0 ₂ -Gehalt handeln.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest einer der zwei Kanäle im Bereich eines Kammerbodens in die Kammer mündet. Dies trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, dass der Innenraum der Kammer möglichst vollständig genutzt werden kann. Vorzugsweise münden die Kanäle in einander gegenüberliegenden Abschnitten einer Kammerwand. Weiterhin bevorzugt ist jeder Kanal (genau) einem Teilraum bzw. Reservoir innerhalb der Kammer zugeordnet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass sich zumindest einer der zwei Kanäle zumindest teilweise entlang einer Kammerwand der Kammer erstreckt. Insbesondere können sich die Kanäle so durch einen Körper des Systems erstrecken, dass sie hinter einer Kammerwand (wieder)

zusammenlaufen. In diesem Zusammenhang können beispielsweise Ventile in den Kanälen dazu genutzt werden, die Strömungsrichtung und/oder den

Volumenstrom durch die Kanäle zu steuern.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Trennelement in der Kammer angeordnet ist, welches die Kammer in mindestens zwei Teilräume unterteilt. Dies erlaub in besonders vorteilhafter Weise, dass die Probe bereits in einer Eingabekammer vorbereitet bzw. vorprozessiert werden kann. Die Teilräume sind insbesondere zumindest abschnittsweise voneinander getrennt bzw. separiert und/oder vorzugsweise (unmittelbar) im Bereich der Öffnung miteinander verbunden. Letzteres kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass sich das Trennelement ausgehend von einem Kammerboden nicht ganz bis zu einer Kammerdecke bzw. der Öffnung erstreckt. Wird die Kammer auf diese Weise in zwei oder mehr Teilräume unterteilt, kann die Kammer auch als„Polykammer“ bezeichnet werden.

Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Kammer aus unabhängigen Teilvolumen bestehen kann. Diese können beispielsweise voneinander unabhängig prozessiert werden und/oder durch die Zugabe von einem zusätzlichen definierten Grenzvolumen zu einem vollständigen

Kammervolumen vereinigt werden. Ist beispielsweise eine Wannen (mittig) in einer großen Kammer gebildet, welche nach oben zur Atmosphäre offen ist, wird die Probenzugaben von der Außenwelt besonders vorteilhaft ermöglicht.

Vorzugsweise ist das Trennelement eine Trennwand. Die Trennwand kann insbesondere an mindestens einer Seite eine Rampe aufweisen. Alternativ oder kumulativ kann das Trennelement einen Überhang umfassen. Der Überhang kann eine ihm zugeordnete Trennwand teilweise (in vertikaler Richtung) überlappen.

Weiterhin bevorzugt ist das Trennelement so eingerichtet, dass es den

Innenraum der Kammer in nebeneinanderliegende Teilräume bzw. Reservoire unterteilt. Bevorzugt sind mindestens zwei Trennelemente vorgesehen, welchen den Innenraum der Kammer in mindestens drei (nebeneinander angeordnete) Teilräume unterteilt. Insbesondere die äußeren Teilräume sind vorzugsweise jeweils mit einem der Kanäle (direkt) verbunden.

Das mindestens eine Trennelement kann drüber hinaus dazu beitragen, dass in dem System auch mehrstufige und/oder dynamische Prozesse durchgeführt werden können. Ein Beispiel eines solchen Mehrschrittverfahrens, ist eine alkalische Lyse.

Nach einem weiteren Aspekt wird ein (mikrofluidischer) Analyseapparat zur Analyse einer Probe mit einem hier vorgestellten mikrofluidischen System vorgeschlagen. Bei dem Analyseapparat handelt es sich insbesondere um eine LoC-(Lab-on-Chip-) Plattform bzw. um eine LoC-Analysevorrichtung. Der Analyseapparat kann eine Fluidik, insbesondere Fluidversorgung für das mikrofluidischen System bereitstellen, über welche beispielsweise (bestimmte) Fluid(e) über mindestens einen der Kanäle in die Kammer eingebracht oder ausgebracht werden kann. Der Analyseapparat kann beispielsweise eine universelle Probenschnittstelle aufweisen, über welcher der Analyseapparat mit dem hier vorgeschlagenen (wechselbaren) System verbunden werden kann. Das (wechselbare) System kann in diesem Zusammenhang beispielsweise probenspezifisch ausgelegt sein kann und/oder eine Vorprozessierung der Probe erlauben. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass der Rest des Analyseapparates, beispielsweise eine Analyseeinrichtung für eine Vielzahl von Probentypen genutzt werden kann. Somit könnte ein Re- Design des Systems (dem World-to- chip-lnterface) ausreichen, um den Analyseapparat an einen neuen Probentyp anzupassen.

Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Handhabung eines

Fluidvolumens vorgeschlagen, umfassend zumindest folgende Schritte:

a) Einbringen des Fluidvolumens in eine Kammer eines mikrofluidischen

Systems, sodass das Fluidvolumen in zumindest einem Teil eines

Innenraums der Kammer über eine Öffnung im Bereich einer Oberseite der Kammer in direkten Austausch mit einer Atmosphäre gelangt,

b) Einbringen von Fluid in die Kammer über zumindest einen von zwei

Kanälen, die jeweils in die Kammer münden,

c) Austragen von Fluid aus der Kammer über zumindest einen der zwei

Kanäle.

Die Reihenfolge der Schritte a), b) und c) stellt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf ein. Darüber hinaus können die Schritte a), b) und c) auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Das hier vorgestellte System und/oder die hier vorgestellte Analyseapparat sind vorzugsweise zur Durchführung des hier vorgestellten Verfahrens eingerichtet. Das Verfahren kann beispielsweise mittels des hier vorgestellten Systems und/oder der hier vorgestellten Analyseapparat durchgeführt werden.

Das System und/oder das Verfahren dienen vorzugsweise zur (aktiven)

Luftblasenentfernung aus dem Fluidvolumen und/oder zur (aktiven) Gassättigung des Fluidvolumens. Bevorzugt erfolgt ein (aktives) Entfernen von Luftblasen aus dem Fluidvolumen und/oder ein (aktives) Sättigen des Fluidvolumens mit Gas. Die Vorgänge des Entfernens und/oder Sättigens erfolgen vorzugsweise während den Schritten a) und/oder b). Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem Fluidvolumen um eine Probe handelt, die in Schritt a) zumindest teilweise über die Öffnung in die Kammer eingebracht wird. Insbesondere ist die Öffnung ausreichend groß, sodass eine Probe dadurch in die Kammer eingebracht werden kann. Bei der Probe kann es sich beispielsweise um eine flüssige Probe oder um eine in einer Flüssigkeit vorliegenden insbesondere gelösten Probe handeln.

Eine einfache Probeneingabe erfordert in der Regel nur die Applikation einer Lösung. Jedoch sind Proben oft komplexe Multikomponentenfluide. Dies kann beispielsweise eine Suspension wie Blut, Urin, Atemkondensat oder Liquor sein. Die Untersuchung der entsprechenden Zielkomponente(n), besteht oft aus mehreren Prozessschritten. Diese Schritte können bis dato nur in einem sich an die Eingabekammer anschließenden mikrofluidischen Netzwerk integriert werden, verlangen somit für unterschiedliche Proben in der Regel ein Re-Design der gesamten Analyseeinheit. Die hier vorgeschlagenen Lösung erlaubt demgegenüber insbesondere eine universelle Plattform (Analyseapparat) für verschiedene Anwendungen zu nutzen. Insbesondere über eine universelle Probenschnittstelle kann der Analyseapparat mit dem hier vorgeschlagenen System verbunden werden, welches probenspezifisch ausgelegt sein kann und insbesondere eine Vorprozessierung der Probe erlaubt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil des Fluidvolumens mittels einer Fluidbewegung durch die Kanäle in der Kammer hin und her bewegt wird. Dies kann mit anderen Worte insbesondere auch als eine Pendelbewegung bezeichnet werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das

Fluidvolumen mittels einer Fluidbewegung durch die Kanäle wiederholt aus der Kammer ausgetragen und wieder in die Kammer eingetragen wird. Dies kann mit anderen Worte insbesondere auch als zirkulierender bzw. zirkulärer Fluss bezeichnet werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das

Fluidvolumen in der Kammer mit einem Gas gesättigt wird. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen ein Zellkulturmedium mit physiologischen essentiellen Gasen, wie etwa 0 ₂ und/oder CO2 zu sättigen. Bei dem

Fluidvolumen kann es sich insbesondere in diesem Zusammenhang

beispielsweise um einen Pfropfen definierten Volumens handeln, der in einem Arbeitsfluid bzw. Transportfluid gehalten ist und/oder damit in die Kammer hinein und/oder aus der Kammer heraus befördert werden kann.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Fluidvolumina in die Kammer eingebracht werden und zunächst

voneinander getrennt in der Kammer bereitgehalten werden. Die insbesondere in diesem Zusammenhang vorteilhafte Aufteilung der Kammer in mehrere

Reservoire bzw. Teilräume ermöglicht in vorteilhafter Weise Lysevorgänge, die mehrere Schritte beinhalten können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Fluidvolumina in der Kammer miteinander gemischt werden. Hierzu kann beispielsweise eines der Fluidvolumina unterschichtet werden, bis es beispielhaft über ein Trennelement zu dem anderen der Fluidvolumina gelangen kann. Ein besonderer Vorteil kann auch darin gesehen werden, dass der Mischvorgänge, die in der Kammer durchgeführt werden, mit Verbindung zur Atmosphäre durchgeführt werden können. Dies verringert in vorteilhafter Weise die

Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Luftblasen im fluidischen System.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest ein in der Kammer bereitgehaltenes Fluidvolumen mit Fluid unterschichtet wird. Alternativ oder kumulativ kann ein in der Kammer bereitgehaltenes Fluidvolumen mit einem Fluid überschichtet werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in der Kammer ein festes Reagenz bereitgehalten wird. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass in der Kammer eine drei-stufige Lyse durchgeführt werden kann.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das

Fluidvolumen in der Kammer mit Fluid, welches von dem Fluidvolumen getrennt ist, umspült wird. Dies erlaubt in vorteilhafter weise ein aktives Kühlen des umspülten Fluidvolumens. Die Kühlung kenn in vorteilhafter Weise dazu dienen das Ausfällen Hitze-empfindlicher Komponenten zu verhindern, wodurch beispielsweise eine Ultraschall-Wirkung vorteilhaft verbessert werden kann. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass Partikel aus dem Fluidvolumen sedimentiert werden. Beispielsweise können Blutzellen aus Serum sedimentiert werden. Das Absetzen der Blutzellen in der Kammer kann darüber hinaus vorteilhaft magnetisch verstärkt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in der Kammer eine feste Substanz unterschichtet wird, um diese in dem Fluidvolumen zu lösen. Dies erlaubt den besonderen Vorteil, dass die feste Substanz vor einem Einzug der Probe in die Fluidik eines Analyseapparats in Flüssigkeit gelöst werden kann, wobei insbesondere entstehende Luft in die Atmosphäre entweichen kann. Die Gefahr von Schaum- und Blasenbildung kann dadurch besonders vorteilhaft verringert werden.

Eine besonders vorteilhafte Funktionalität der hier beschriebenen Prozesses kann insbesondere im Zusammenwirken mit einer übergeordneten Steuerung eines Analyseapparats erreicht werden. So kann beispielsweise die Fluidik des Analyseapparats genutzt werden, um Fluidströme in die Kanäle einzubringen oder aus den Kanälen abzuziehen.

Die im Zusammenhang mit dem System erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Analyseapparat und/oder dem Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.

Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden

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

Fig. 1: eine beispielhafte Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Systems, Fig. 2: eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 3: einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,

Fig. 4: eine beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen

mikrofluidischen Systems,

Fig. 5: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 6: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 7: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 8: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 9: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 10: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 11: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 12: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 13: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems,

Fig. 14: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems, und

Fig. 15: eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems.

Fig. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Das mikrofluidische System 1 weist eine Kammer 2 und mindestens zwei Kanäle 3, 4 auf, die jeweils in die Kammer 2 münden. Die Kammer 2 weist im Bereich einer Oberseite 5 der Kammer 2 eine Öffnung 6 auf, über die zumindest ein Teil eines Innenraums 7 der Kammer 2 in direktem Austausch mit einer Atmosphäre 8 steht. Fig. la zeigt schematisch einen Schnitt durch das System 1, der in einer

(vertikalen) x-z-Ebene liegt. Fig. lb veranschaulicht schematisch einen Schnitt durch das System 1, der in einer (horizontalen) x-y- Ebene liegt.

Beispielhaft ist in der Schnittdarstellung gemäß Fig. la zudem gezeigt, dass einer der zwei Kanäle 3, 4 im Bereich eines Kammerbodens 9 in die Kammer 2 mündet. Hier münden sogar beispielhaft beide Kanäle 3, 4 im Bereich des Kammerbodens 9.

In der Schnittdarstellung gemäß Fig. lb ist zudem veranschaulicht, dass sich zumindest einer der zwei Kanäle 3, 4 zumindest teilweise entlang einer

Kammerwand 10 der Kammer 2 erstrecken kann. Hier erstrecken sich sogar beispielhaft beide Kanäle 3, 4 zumindest teilweise entlang der Kammerwand 10.

In den Figuren la und lb wird eine beispielhafte Grundgeometrie des Systems 1, insbesondere der Kammer 2 gezeigt. Fig. la zeigt beispielsweise, dass insbesondere für die hier auch beschriebenen Prozesse mindestens eine

Kammer 2 vorgesehen ist, welche nach oben zur Atmosphäre 8 offen ist.

Desweitern führen Kanäle 3, 4 zur Kammer 2, welche diese mit dem restlichen Teil eines hier nicht näher dargestellten, mikrofluidischen Apparats verbinden können. Durch diese Kanäle 3, 4 kann die Kammer 2 beispielsweise mit einem fluidischen System angesteuert werden. Fig. lb zeigt beispielhaft, dass die beiden (Zufuhr-) Kanäle 3, 4 möglichst nahe der (Atmosphären-) Kammer 2 vorteilhafterweise einen zirkulären Fluss ermöglichen können.

Die Öffnung 5 zur Atmosphäre 8 kann beispielsweise auch dazu genutzt werden, Material in eine mikrofluidische Einheit bzw. einen Apparat zu bringen. Die hier vorgestellte Lösung kann also beispielsweise bei der Probeneingabe benutzt werden, aber auch beliebig während dem fluidischen Gesamtablauf.

Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen zur Fig. 1 vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 2 ist beispielhaft veranschaulicht, dass mindestens ein Trennelement 11 in der Kammer 2 angeordnet sein kann, welches die Kammer 2 in mindestens zwei Teilräume 12, 13 unterteilt. Das Trennelement 11 weist hier beispielsweise eine Trennelementhöhe 21 auf. Weiterhin ist das Trennelement 11 hier beispielhaft in der Art einer Trennwand gebildet.

Fig. 2 zeigt beispielhaft das Grundkonzept eines hier vorgeschlagenen Systems 1 mit einer Kammer 2. Die Kammer 2 weißt hierbei in der Regel zwei oder mehr Teilräume auf und kann somit auch als sog. Polykammer bezeichnet werden. Die Kammer 2 ist gemäß dem Beispiel nach Fig. 2 in zwei noch oben geöffnete Teilräume 12, 13 unterteilt, welche durch ein Trennelement 11 mit der

Trennelementhöhe 21 voneinander abgetrennt sind und jeweils mit einem Kanal 3, 4 mit einer hier nicht näher dargestellten Fluidik bzw. mit einem Fluidsystem verbunden sind. Dies kann mit anderen Worten auch so beschreiben werden, dass eine Gesamtkammer 2 in zwei nach oben geöffnete Kammern 12, 13 unterteilt ist, welche durch eine Scheidewand 11 mit der Höhe 21 abgetrennt sind und jeweils mit einem Zufuhrkanal 3, 4 zur Fluidik ausgestattet sind.

Die (Gesamt-) Kammer 2 ist nach oben zur Atmosphäre 8 offen. Diese Öffnung 6 dient insbesondere zur Zugabe einer Probe von außen und fungiert hier beispielhaft als das sog.„World-to-Chip Interface“. Wurde die primäre

Probelösung in die Kammer 2 gegeben, so kann das gesamte System 1, welches auch als eine mikrofluidische Einheit beschrieben werden kann, in eine hier nicht näher dargestellte Prozessierung-Station überführt werden und es kann ein hier auch beschriebener Ablauf insbesondere zur Probenvorbereitung und zum Probeneinzug (automatisiert) erfolgen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Handhabung eines Fluidvolumens 14. Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 veranschaulichte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) stellt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf ein. Darüber hinaus können die Schritte a), b) und c) auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. In Block 110 erfolgt ein Einbringen des Fluidvolumens 14 in eine Kammer 2 eines mikrofluidischen Systems 1, sodass das Fluidvolumen 14 in zumindest einem Teil eines Innenraums 7 der Kammer 2 über eine Öffnung 6 im Bereich einer Oberseite 5 der Kammer 2 in direkten Austausch mit einer Atmosphäre 8 gelangt. In Block 120 erfolgt ein Einbringen von Fluid 15, 17 in die Kammer 2 über zumindest einen von zwei Kanälen 3, 4, die jeweils in die Kammer 2 münden. In Block 130 erfolgt ein Austragen von Fluid 14, 15, 17 aus der Kammer 2 über zumindest einen der zwei Kanäle 3, 4.

Fig. 4 zeigt schematisch eine beispielhafte Arbeitsweise eines hier

vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

Anhand Fig. 3 wird beispielhaft ein mittels des Systems 1 durchführbares, vorteilhaftes Konzept zum Blasenentfernen aufgezeigt. Das Fluid 14 mit den (Luft-) Blasen 22 wird dabei zu der Kammer 2, welche zur Atmosphäre 8 offen ist, geleitet. Durch die viel geringere Dichte steigen die Blasen 22 noch oben und können in die Atmosphäre 8 übergehen. Im bewegten Fluid, d.h. bei Fluss, kann der Blasenaufstieg darüber hinaus begünstigt werden.

Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 5 ist beispielhaft veranschaulicht, dass es sich bei dem Fluidvolumen 14 um eine Probe handelt kann, die zumindest teilweise über die Öffnung 6 in die Kammer eingebracht wurde. Bei der Probe handelt es sich in diesem

Zusammenhang beispielhaft um ein limitiertes Fluidvolumen 14, welches auch als sog.„Plug“ (bzw. Pfropfen) bezeichnet werden kann. Um das Fluidvolumen 14 innerhalb der Kammer 2 limitiert zu halten (insb. seine Vermischung mit dem Arbeitsfluid 15 zu verhindern) wird das Fluidvolumen 14 hier beispielhaft mit einem Arbeitsfluid 15 (bzw. Transportfluid) umgeben, welches keine Neigung aufweist, sich mit dem Fluidvolumen 14 zu mischen. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise einen fluidischen Transport bzw. eine fluidische Handhabung (bzw. ein fluidisches Handling) der Probe.

In Fig. 5 wird in diesem Zusammenhang auch beispielhaft gezeigt, wie Blasen 22 aus einem limitierten Volumen 14, welches sich in einem Zweiphasensystem (mit den (Fluid-)Phasen 14 und 15) befindet, vorteilhaft entfernt werden können.

Dabei wird hier beispielsweise ein limitiertes, wässriges Volumen 14 in einer Ölphase 15 eingeschlossen. Der Wasserplug 14 wird dabei vorzugsweise in der Kammer 2 hin und her gependelt, damit der Aufstieg der Blasen 22 begünstigt werden kann und die Blasen 22 möglichst schnell in die Atmosphäre 8 übergehen können.

Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

Fig. 6 zeigt eine vorteilhafte Ausführung, in welcher die Kammer 2 mit einem geometrischen Element, das hier beispielhaft mit dem Trennelement 11 gebildet ist, ergänzt wurde (in diesem Fall eine Quadererhöhung), welches die

Strömungslinien so umleitet, dass Luftblasen 22 an die

Atmosphärenaustauschfläche transportiert werden. Fehlt dieses geometrische Element 11, sind die Strömungslinien in der Regel koplanar zur x-y-Ebene bzw. invariant in z-Richtung (vgl. Fig. 1). Durch das geometrische Element 11 werden die Strömungslinien vorteilhaft auch in z-Richtung variant und die Blasen 22 bekommen einen aktiven Auftrieb durch die Strömung 14.

Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 7a ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie das Fluidvolumen 14 mittels einer Fluidbewegung durch die Kanäle 3, 4 wiederholt aus der Kammer 2 ausgetragen und wieder in die Kammer 2 eingetragen werden kann. In Fig. 7b ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie zumindest ein Teil des Fluidvolumens 14 mittels einer Fluidbewegung durch die Kanäle 3, 4 in der Kammer 2 hin und her bewegt werden kann.

Fig. 7 zeigt somit beispielhaft verschiedene Arten, in welchem Modus der Fluss durch die Kammer 2 geführt werden kann. In Fig. 7a ist beispielsweise ein zirkulärer Fluss gezeigt. Dabei wird das Fluid - als Ganzes oder im

Zweiphasensystem - durch die Kammer 2 gepumpt, insbesondere bis alle Blasen aus dem Fluid sind. Dabei werden die einzelnen Fluidvolumen temporär der Atmosphäre ausgesetzt, aber auch wieder ins System eingezogen. Durch die Fluidbewegung und den verengenden Übergang von Kammer 2 in Kanal 4, wird der Blasenauftrieb und Atmosphärenaustausch vorteilhaft begünstigt. Anstelle des zirkulären Fluss, kann derselbe Effekt durch Pendeln der Flüssigkeit erreicht werden, was beispielhaft in Fig. 7b veranschaulicht ist.

Fig. 8 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können. In Fig. 8 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie das Fluidvolumen 14 in der Kammer 2 mit einem Gas 16 gesättigt werden kann.

Fig. 8 demonstriert in diesem Zusammenhang beispielhaft, wie ein Fluid 14 mit einem Gas 16 - im konkreten Fall 5% C0 ₂ - beispielsweise gesättigt werden kann. Dabei wird der (das System 1 umgebende Raum 8), der bist jetzt als Atmosphäre 8 beschrieben wurde, mit 5% C0 ₂ gesättigt. Mit anderen Worte kann dies auch so beschrieben werden, dass die (das System 1 umgebende)

Atmosphäre 8 entsprechend mit C0 ₂ angereichert wird. Der obere Raum der Kammer 2 bzw. der Bereich der Kammer 2, der nicht mit Fluid 14 gefüllt ist, bildet dabei ein größeres Gasvolumen mit der entsprechenden Zusammensetzung.

In der Zeichnung gemäß Fig. 8 ist weiterhin beispielhaft gezeigt, dass ein diskretes Volumen 14 an wässriger Lösung mittels Zweiphasensystem 14, 15 zur (Gasaustausch-) Kammer 2 geführt werden kann. Der Fluss wird dann

entsprechend gestoppt (Fig. 8b) und es wird dem Fluid 14 Zeit gegebenen sich mit dem Gas 16 zu sättigen. Darüber hinaus können währenddessen Luftblasen 22 das Fluidvolumen 14 nach oben verlassen. In einem mikrofluidischen System 1 mit einem großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis ist dies in der Regel ein schneller Prozess.

Nach der Sättigung in der (Eingabe-) Kammer 2 kann das gesättigte Volumen 14 (Fig. 8c) in eine hier nicht dargestellt (Analyse- bzw. Arbeits-) Kammer, in welcher das Fluid analysiert bzw. benötigt wird, transportiert werden. Das Volumen 14 kann beispielsweise die Größe einer (Arbeits-) Kammer haben, in welcher Zellen kultiviert werden. Dieser Prozess (Fig. 8a bis 8c) kann nun grundsätzlich sequentiell wiederholt werden, sodass in der entsprechenden Kammer immer die ideale Gaszusammensetzung herrscht. Fig. 9 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 9 ist in einem weiteren Beispiel veranschaulicht, dass und wie das Fluidvolumen 14 in der Kammer 2 mit einem Gas 16 gesättigt werden kann. Alternativ zu dem anhand von Fig. 8 veranschaulichten Prozess kann die Sättigung des Mediums in der Kammer 2 auch beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Gas 16 in der Kammer 2 aktiv ins Medium 14 geströmt wird. Dabei können Luftblasen entstehen. Um diese total aus dem Volumenstück 14 zu entfernen, kann der Gasfluss gestoppt werden und beispielhaft eine hier auch vorgeschlagene und oben insbesondere im Zusammenhang mit der Fig. 7 beschriebene Methode zur Blasenentfernung, etwa ein kurzes Pendeln (Shutteln) oder einstellen eines zirkulären Flusses durchgeführt werden.

Fig. 10 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 10 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie mindestens zwei Fluidvolumina 14, 17 in die Kammer 2 eingebracht und zunächst voneinander getrennt in der Kammer 2 bereitgehalten werden können. Weiterhin ist in Fig. 10 beispielhaft veranschaulicht, dass und wie mindestens zwei Fluidvolumina 14, 17 in der Kammer 2 miteinander gemischt werden können.

In Fig. 10 ist in diesem Zusammenhang beispielhaft ein Ablauf zur

Probeneingabe und Vereinigung mit vorgelagerten Reagenzien in einer

Probeneingabe mit zwei separierten Teilräumen 12, 13 (separierten Reservoiren) dargestellt. In Fig. 10a ist veranschaulicht, dass im Teilraum 12 und Teilraum 13 die zu vermischenden Volumina 14, 17 vorgelagert oder als Probe vom Benutzer vorgelegt worden sind. In Fig. 10b ist veranschaulicht, dass über den mit dem Kanal 3 gebildeten Zulauf zum Teilraum 12 wird nun das Volumen im Teilraum 12 durch ein weiteres Volumen vergrößert, wobei es sich bei dem weiteren Volumen um dasselbe Fluid handeln kann mit dem das Volumen 17 gebildet ist oder um ein hiervon verschiedenes Fluid. In Fig. 10c erreicht das Volumen im Teilraum 12 den Füllstand, welcher der Höhe 21 des Verbindungskanals bzw. des Trennelements 11 (vgl. Fig. 2) entspricht und wird dadurch in den Teilraum 13 transferiert und vereinigt sich mit dem Volumen 14 zu einem Totalvolumen.

In Fig. lOd ist eine sich einstellende Durchmischung der genannten Volumina veranschaulicht. Die so vermischen Volumina können (gemeinsam) zur Analyse in eine hier nicht näher dargestellte Fluidik eingezogen werden, beispielsweise durch den Kanal 4. Die Durchmischung erfolgt beispielweise durch Diffusion. Durchmischung durch Diffusion ist in mikrofludischen Prozessen ein generell schneller Vorgang. Alternativ kann eine Vermischung auch mittels Pendelfluss - ein wiederholtes Vor- und Rückwärtsbewegen der Flüssigkeit (vgl. Fig. 7b) erreicht werden.

Mit dem anhand von Fig. 10 veranschaulichten Prinzip ist es außerdem vorteilhaft möglich, verschiedene Verdünnungsstufen einer Probe 14 in Teilraum 13 herzustellen. Nach jedem Transfer einer Verdünnungs-Reagenz aus Teilraum 12 in Teilraum 13 kann dabei ein Teil der Probe 14 eingezogen und dann durch zusätzliche Volumenzugabe in Teilraum 12 weiter verdünnt werden. Ein

Mischvorgang durch Pendeln (vgl. Fig. 7b) kann gleichzeitig genutzt werden, um den Einzug von Blasen in die Kartusche zu vermeiden.

Fig. 11 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 11 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie zumindest ein in der Kammer 2 bereitgehaltenes Fluidvolumen 17 mit Fluid 15 unterschichtet werden kann. In diesem Zusammenhang ist in Fig. 11 beispielsweise ein

Unterschichtungsprinzip zur Probeneingabe und Vermischung mit vorgelagerten Reagenzien in einer Probeneingabe mit zwei separierten Reservoiren bzw. Teilräumen 12, 13 dargestellt. Unterschichtungen sind insbesondere bei langsamen Lösungsprozessen (z.B. exotherme Lösung, Lösen von

Lyophilisaten) oder Zweiphasenanwendungen von großem Interesse.

In Fig. 11a wird eine Probe 14 wird in Teilraum 13 eingegeben, in Teilraum 12 ist ein Puffer 17 vorgelagert. In Fig. 11b ist veranschaulicht, dass über den mit dem Kanal 3 gebildeten Zulauf zu Teilraum 12 nun eine Flüssigkeit 15 mit langsamen Fluss zur Unterschichtung des Puffers 17 eingepumpt wird. Die unterschichtende Flüssigkeit 15 vermischt sich nicht mit dem Puffer 17 (bei einem wässrigen Puffer kann z. B. mit einem Öl unterschichtet werden) und hebt diesen bis über die Höhe des Verbindungskanals bzw. des Trennelements (vgl. Fig. 2) an.

In Fig. 11c wird das Volumen aus Teilraum 12 durch die Unterschichtung in Teilraum 13 transferiert und dort mit der Probe 14 vermischt. Gemäß Fig. lld vermischen sich Probe 14 und Puffer 17 und können zur Analyse in eine hier nicht näher dargestellte Fluidik eingezogen werden, beispielsweise über den Kanal 4. Die Durchmischung kann dabei beispielsweise wieder wie im Verfahren nach Fig. 10 erfolgen.

Diese Konzepte sind beliebig skalierbar. Existieren mehrere Reservoire bzw. Teilräume, können beispielsweise mehrere Puffer und Reagenzien vorgelagert und durch Unterschichtung in der benötigten Reihenfolge vermengt werden.

Fig. 12 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 12 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie in der Kammer 2 ein festes Reagenz 18 bereitgehalten werden kann. In diesem Zusammenhang ist in Fig. 12 das Unterschichtungsprinzip für eine (Probeneingabe-) Kammer 2 mit drei Reservoiren bzw. Teilräumen 12, 13, 23 gezeigt. Die drei Teilräume 12, 13, 23 liegen nebeneinander und sind durch zwei Trennelemente (vgl. Fig 2) zumindest abschnittsweise voneinander getrennt. Die zwei Trennelemente weisen hier beispielhaft jeweils eine Trennwand und einen Überhang auf.

Der Ablauf gliedert sich beispielsweise wie im Folgenden beschrieben. In Fig.

12a wird in Teilraum 12 eine flüssige Reagenz 17 und in Teilraum 23 ein festes Reagenz 18 vorgelagert. Die Probe 14 wird in den Teilraum 13 eingegeben. Gemäß Fig. 12b wird dann das vorgelagerte flüssige Reagenz 17 im Teilraum 12 durch Unterschichtung mit einer Flüssigkeit 15 aus der hier nicht näher dargestellten Fluidik (bspw. einer Fluidik eines hier nicht näher dargestellten Chips) angehoben und in den Teilraum 13 transferiert. In Fig. 12c wird das flüssige Reagenz 17 in Teilraum 13 mit der Probe 14 vermischt und die entstandene Substanz wird durch weiteres Unterschichten in den Teilraum 23 transferiert. Gemäß Fig. 12d liegen im Teilraum 12 nun die Probe 14 und die Reagenzien 17, 18 durchmischt vor und können zur Analyse in die Fluidik (des Chips) eingezogen werden.

Dieses Prinzip ermöglicht es beispielsweise, eine 3-Stufige Lyse in der

(Probeneingabe-) Kammer 2 durchzuführen. Die Komponenten der Lyse können dabei bis zum Zeitpunkt der Verwendung voneinander unabhängig gelagert und dann in der benötigten Reihenfolge zugeführt werden. Ein Beispiel für eine 3- Komponenten Lyse beinhaltet folgende Schritte und Reagenzien: Zunächst werden die zu analysierenden Zellen in das mittlere Reservoir bzw. den Teilraum 13 gegeben, das destilliertes Wasser zum Aufbrechen der Zellmembran enthält. Anschließend wird Kaliumhydroxid (KOH) durch das Unterschichtungsprinzip aus dem linken Reservoir bzw. Teilraum 12 in Teilraum 13 transferiert und dient zur Entfernung von Lipidresten in der Probenflüssigkeit. Abschließend wird die Probe durch das Unterschichtungsprinzip in das rechte Reservoir bzw. Teilraum 23 transferiert, in dem Salzsäure (HCl) zur Neutralisation vorgelagert ist.

Fig. 13 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 13 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie das Fluidvolumen 14 in der Kammer 2 mit Fluid 15, welches von dem Fluidvolumen 14 getrennt ist, umspült werden kann. Fig. 13 veranschaulicht in diesem Zusammenhang insbesondere, wie eine Probe 14 in einer (Probeneingabe-) Kammer 2 mit drei Reservoiren bzw. Teilräumen 12, 13, 23 während einer Ultraschall-Behandlung gekühlt werden kann. Hierzu werden die beiden äußeren Reservoire bzw. die Teilräume 12 und 23, die an das Probenreservoir bzw. den mittleren Teilraum 13 angrenzen, mit einer Kühlflüssigkeit 15 gefüllt (vgl. Fig. 13b) und dann die Sonotroden- Einwirkung (hier angedeutet in Fig. 13c) gestartet. Die Kühlung verhindert in vorteilhafter Weise das Ausfällen Hitze-empfindlicher Komponenten, wodurch die Ultraschall-Wirkung verbessert werden kann. Danach wird die Kühlflüssigkeit 15 aus der (Probeneingabe-) Kammer 2 entfernt (beispielsweise über die Kanäle 2, 4; vgl. Fig. 13d) und die Probe 14 kann beispielsweise durch das oben beschriebene Unterschichtungsprinzip in eine Fluidik eingezogen werden.

Fig. 14 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 14 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie Partikel 19 aus dem Fluidvolumen 14 sedimentiert werden können. In Fig. 14 ist eine

(Probeneingabe-) Kammer 2 mit drei Reservoiren bzw. Teilräumen 12, 13, 23, jedoch ohne Überhang gezeigt. Diese kann beispielsweise verwendet werden, um Partikel 19 aus einer Probenflüssigkeit 14 zu sedimentieren. Hierzu wird die Probe 14, 19 in das Zwischenreservoir bzw. den Teilraum 13 eingegeben (siehe Fig. 14a). Die Partikel 19 setzten sich in dem Teilraum 13 ab (vgl. Fig. 14b). Die Probenflüssigkeit 14 wird mit einer Verdünnungssubstanz 15 überschichtet (vgl. Fig. 14c) und durch Diffusion verteilt sich die Probenflüssigkeit 14 über alle Reservoire bzw. Teilräume 12, 13, 23 (vgl. Fig. 14d). Danach kann die verdünnte Probenflüssigkeit partikelfrei in eine Fluidik eingezogen werden, beispielhaft über den Kanal 4. Beispielsweise können mit diesem Prinzip Blutzellen aus Serum sedimentiert werden. Das Absetzen der Blutzellen in der Kammer kann z.B. magnetisch verstärkt werden.

Fig. 15 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Arbeitsweise eines hier vorgeschlagenen mikrofluidischen Systems 1. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass die vorhergehenden Ausführungen, insbesondere zu den Figuren 1 bis 3, vollumfänglich in Bezug genommen werden können.

In Fig. 15 ist beispielhaft veranschaulicht, dass und wie in der Kammer 2 eine feste Substanz 20 unterschichtet werden kann, um diese mit diese in dem Fluidvolumen 14 zu lösen. Fig. 14 zeigt in diesem Zusammenhang eine

Möglichkeit, die (Probeneingabe-) Kammer zur Vorlagerung einer festen

Substanz 20 in Form eines sog.„Beads“ und für dessen Auflöse-Vorgang in der Probe 14 zu nutzen. Die feste Substanz 20 wird dabei vorzugsweise in einem zur Probe 14 separaten Teilraum 12 gelagert und kann so zu einem definierten Zeitpunkt in die Probe 14 transferiert und gelöst werden. Dies ist von Vorteil, wenn der Probe 14 zunächst noch andere Reagenzien wie z. B. ein Lysepuffer zugeführt werden sollen. Das die Teilräume 12 und 13 zumindest

abschnittsweise voneinander separierende Trennelement 11 weist in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise die Form einer Rampe auf.

Der Ablauf gliedert sich beispielsweise wie folgt: In Fig. 15a wird die feste Substanz 20 im Teilraum 12 vorgelagert, die Probe 14 wird in den Teilraum 13 eingegeben. In Fig. 15b ist veranschaulicht, dass eine Flüssigphase 15, welche die feste Substanz 20 nicht auflöst und anhebt (z. B. ein Öl) aus einer hier nicht dargestellten Fluidik beispielhaft über den Kanal 3 in den Teilraum 12 gepumpt wird. Gemäß der Darstellung nach Fig. 15c werden so viele Pumphübe ausgeführt, bis die feste Substanz 20 über die hier beispielhaft rampenförmige Abtrennung 11 der Reservoire bzw. Teilräume 12, 13 in den Teilraum 13 transferiert wird. In Fig. 15d ist veranschaulicht, dass die feste Substanz 20, sobald sie mit der Probe 14 in Kontakt kommt, darin gelöst wird. In der Kammer 2 ist insbesondere noch genug Raum, dass dabei entstehende Luftblasen nach oben entweichen können. Dies ist ein beispielhafter Vorteil beim Beadlöse- Prozess im Gegensatz zum Lösen des Beads on Chip. Lufteinschlüsse und Schaumbildung können vorteilhaft vermieden werden.

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

• Luftblaseneinzug, insbesondere von dem Fluid mit dem Probenmaterial, kann vermieden werden.

• Luftblasen können durch einen dynamischen Prozess entfernt werden.

• Durch Anwendung von einem Zweiphasensystem können auch diskrete Volumeneinheiten entgast werden.

• Mischprozesse, bei welchen durch chemische Reaktionen Gase

entstehen können, sind durch diesen erfinderischen Prozess anwendbar.

• Der Prozess ist ein universeller Ablauf basierend auf einer universellen Geometrie, welcher in beliebige mikrofluidische Abläufe auf einer universell entworfenen mikrofluidischen Analyseeinheit integriert werden kann.

• Der Prozess kann auch benutzt werden, um ein Fluid mit einem Gas zu sättigen. Dies ist insbesondere interessant, wenn zum Beispiel ein Zellkulturmedium mit physiologischen essentiellen Gasen wie 0 ₂ oder C0 ₂ gesättigt werden soll. • Der Prozess dient als Grundlage zur Kultivierung von Zellen auf einer mikrofluidischen Plattform.

Alternativ oder kumulativ erlaub die hier vorgeschlagenen Lösung insbesondere einen oder mehrere der nachfolgenden Vorteile:

• Die beschriebene Erfindung kann auf einer bereits bestehenden LoC- Plattform angewendet werden. Somit ergeben sich weitere fluidische Möglichkeiten, ohne dass der Kern der Fluidik angepasst werden muss.

• Einige der erfindungsgemäßen Funktionen sind durch eine Anpassung der Probeneingabekammer einfach umsetzbar. Die

Probeneingabekammer kann durch einen Einsatz oder direkt im

Spritzgussteil angepasst werden.

• Zur Integration der beschriebenen Funktionen sind ansonsten keine zusätzlichen Fertigungsschritte oder Materialien notwendig.

• Durch eine Verbindung der Kammern, die sich auf einer gewissen Höhe befindet, können die Volumina sowohl getrennt prozessiert werden, als auch miteinander vereinigt werden.

• Durch die Verbindung lässt sich auch ein Durchfluss durch die

Probeneingabekammer erzeugen, zum vollständigen Probeneinzug oder als Spülschritt.

• Die Proben können je nach Bedarf über verschiedene Eingabestränge in die Fluidik eingezogen werden.

• Durch die erfindungsgemäßen Prozesse ist es außerdem möglich auch auf dem Chip vorgelagerte Reagenzien in die Probeneingabekammer zu spülen.

• Durch das Einpumpen von Öl aus der Fluidik in die Eingabekammer, kann die Wahrscheinlichkeit des Einzugs von Luftblasen in das fluidische System verringert werden.

• Durch die beschriebenen Prozesse der Erfindung können auch Kammern in die Probeneingabe integriert werden, die keine direkte Verbindung zur Fluidik besitzen. Der Probeneinzug erfolgt durch Durchfluss oder mit Hilfe eines Unterschichtungsprinzips.

• In der Probeneingabekammer können Reagenzien und Lysepuffer

unabhängig voneinander vorgelagert werden und werden durch die erfindungsgemäßen Abläufe in die Analyse integriert und prozessiert.

• Die Erfindung beschreibt Mischvorgänge, die in der

Probeneingabekammer mit Verbindung zur Atmosphäre durchgeführt werden können. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Luftblasen im fluidischen System.

• Die Aufteilung der Probeneingabekammer in mehrere Reservoire

ermöglicht Lysevorgänge die mehrere Schritte beinhalten. Dabei werden die Komponenten der Lyse bis zum Zeitpunkt der Verwendung

voneinander unabhängig gelagert und dann in der benötigten Reihenfolge zugeführt. Z.B. wird eine alkalischen 3- Komponenten Lyse ermöglicht, bei der nacheinander zunächst destilliertes Wasser zum Aufbrechen der Zellen, dann Kaliumhydroxid zur Lipidentfernung und

Proteindegradierung, gefolgt von der abschließenden Neutralisation mit Chlorwasserstoffsäure zugegeben werden.

• Durch die erfindungsgemäßen Prozesse können von einer Probe in der Eingabekammer verschiedene Verdünnungsstufen hergestellt und nacheinander in die Fluidik eingezogen werden.

• In der Probeneingabekammer kann ein Lyophilisat vorgelagert und

transportiert werden. Dies ermöglicht es, ein Lyophilisat nach dem

Einlegen des Chips in das System zur Probe zu geben und aufzulösen.

• Das Lösen des Beads vor dem Einzug der Probe in die Fluidik hat zudem den Vorteil, dass entstehende Luft entweichen kann. Die Gefahr von Schaum- und Blasenbildung wird dadurch verringert.

• Die Gefahr des Zerfalls von fragilem Probenmaterial ist verringert, da Schritte zur Probenaufbereitung in die Funktionseinheit eingeführt werden können und somit die zeitintensiven, händischen off- Chip- Sch ritte entfallen.

• Die Eingabe der Probe kann für viele Proben standardisiert werden,

differierende Schritte werden on-Chip, bzw. in der Probeneingabekammer durchgeführt. Dadurch ist für viele verschiedene LoC-Anwendungen keine zusätzliche Schulung des Personals notwendig.

• Trennmethoden wie Sedimentation und Extraktionen können im

beschriebenen Verfahren ermöglicht werden.