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Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Geräteeinheit mit einem Steuergerät und einem Träger für einen Mikrofluidchip.
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Sogenannte Mikrofluidchips sind bereits allgemein aus dem Stand der Technik bekannt und weisen wenigstens einen Vorratsabschnitt, wenigstens einen Mikrofluidkanal sowie zumeist wenigstens einen Mischabschnitt auf, um beispielsweise ein Strömungsverhalten, ein Mischungs- und/oder Entmischungsverhalten sowie chemische und/oder biochemische Reaktionen von im Vorratsabschnitt befindlichen Fluidproben zu untersuchen. Hierzu werden die Mikrofluidchips in eine mikrofluidische Geräteeinheit eingesetzt, wobei diese Geräteeinheit wenigstens eine Ansteuereinheit umfasst, welche die Fluidproben in gewünschter Weise beaufschlagt, beispielsweise mit einer Druckkraft, Magnetkraft, chemischen Reaktionskraft, elektrischen Kraft und/oder thermischen Beanspruchung.
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In der
US 8,309,040 B2 ist bereits eine solche mikrofluidische Geräteeinheit, ein Mikrofluidchip zur Aufnahme in dieser Geräteeinheit sowie ein Verfahren zur Montage des Mikrofluidchips an der Geräteeinheit beschrieben. Dabei weist die mikrofluidische Geräteeinheit eine Nadel auf, welche beim Einsetzen des Mikrofluidchips in den abgedichteten Vorratsabschnitt des Mikrofluidchips eindringt und damit auf einfache Art und Weise eine weitgehend leckagefreie Fluidverbindung zwischen dem Mikrofluidchip und der Geräteeinheit herstellt. Der Mikrofluidchip lässt sich dabei mit geringem Aufwand in die mikrofluidische Geräteeinheit einsetzen und wieder von der Geräteeinheit entfernen, sodass ein einfacher Austausch der Mikrofluidchips möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine mikrofluidische Geräteeinheit sowie einen Mikrofluidchip zu schaffen, mit denen sich die Analysemöglichkeiten für eine Fluidprobe verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine mikrofluidische Geräteeinheit mit einem Steuergerät, das mindestens eine Ansteuereinheit aufweist, und mit einem Träger für einen Mikrofluidchip, wobei der Träger als vom Steuergerät separates Modul ausgeführt ist, jedoch mit diesem durch mindestens eine Verbindungsleitung so verbunden ist, dass die Ansteuereinheit mindestens eine Funktion am Träger ansteuern kann, wobei der Träger mit einer Aufnahme für den Mikrofluidchip versehen ist. Die Ausführung als vom Steuergerät separates Modul ermöglicht eine „freiere“ Handhabung des Trägers und damit verbesserte Analysemöglichkeiten für den am Träger montierten Mikrofluidchip. So kann beispielsweise das mobile Trägermodul mitsamt dem montierten Mikrofluidchip auf ein Mikroskop gelegt und der Mikrofluidchip im montierten Zustand untersucht werden. Während dieser Untersuchung ist über die wenigstens eine Verbindungsleitung gleichzeitig eine Ansteuerung des Mikrofluidchips über das Steuergerät möglich.
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In einer Ausführungsform der mikrofluidischen Geräteeinheit weist der Träger mindestens eine Lichtquelle auf, die über die Verbindungsleitung von der Ansteuereinheit aus angesteuert werden kann. Dadurch lassen sich der Mikrofluidchip und damit die Fluidprobe auf einfache Art und Weise mit Licht beaufschlagen.
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Ferner kann der Träger wenigstens einen Lichtsensor aufweisen, dessen Signale über die Verbindungsleitung zur Ansteuereinheit übertragen werden können. Die Verbindungsleitung ermöglicht somit nicht nur die Übertragung von Ansteuersignalen vom Steuergerät zum Mikrofluidchip, sondern zusätzlich auch die Übertragung von Rückmeldesignalen vom Mikrofluidchip zum Steuergerät.
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In einer weiteren Ausführungsform der mikrofluidischen Geräteeinheit weist der Träger mindestens ein Heizelement auf, das über die Verbindungsleitung mit der Ansteuereinheit verbunden ist. Auf diese Weise können der Mikrofluidchip und damit die Fluidprobe mit geringem Aufwand thermisch beaufschlagt werden.
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Vorzugsweise ist das Heizelement hierbei elastisch nachgiebig am Träger angebracht. Dies führt im montierten Zustand des Mikrofluidchips zu einer Vorspannung und damit zu einem engen Kontakt zwischen dem Heizelement und dem zu beheizenden Bereich des Mikrofluidchips, sodass eine Wärmeübertragung mit geringem Energieverlust gewährleistet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Geräteeinheit weist der Träger ein Induktionselement auf, das über die Versorgungsleitung von der Ansteuereinheit angesteuert werden kann. Auf diese Weise wird mit geringem Aufwand eine elektrische und/oder elektromagnetische Beaufschlagung der Fluidprobe im Mikrofluidchip oder auch die Energieübertragung zu einer im Mikrofluidchip angeordneten Heizeinrichtung ermöglicht.
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Am Träger der mikrofluidischen Geräteeinheit ist vorzugsweise ein Arretierungsmittel für einen Mikrofluidchip angeordnet. Ein solches Arretierungsmittel fixiert den Mikrofluidchip zuverlässig am Träger und verhindert zum Beispiel ein unerwünschtes Verrutschen des Mikrofluidchips, wenn der Träger mitsamt dem Mikrofluidchip in ein Mikroskop eingelegt wird.
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Dabei weist das Arretierungsmittel besonders bevorzugt einen Permanentmagneten oder ein Gegenstück aus einem magnetischen Werkstoff auf. Ein magnetisches Arretierungsmittel bietet den Vorteil, dass sich Mikrofluidchips auf diese Weise einfach und wiederholbar sowohl am Träger fixieren als auch wieder vom Träger entfernen lassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Geräteeinheit ist in die Aufnahme des Trägers eine strömungstechnische Kopplung zum automatischen Anschließen eines Mikrofluidchips integriert. Über diese strömungstechnische Kopplung lässt sich die Fluidprobe im Mikrofluidchip hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagen.
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Vorzugsweise enthält die strömungstechnische Kopplung dabei mindestens eine Hohlnadel. Durch das Einstechen und Herausziehen einer Hohlnadel lässt sich die strömungstechnische Kopplung mit minimalem Aufwand herstellen bzw. lösen. Zudem wird durch das Einstechen der Hohlnadel, gegebenenfalls unterstützt durch einen einfachen Dichtring, eine Dichtigkeit der strömungstechnischen Verbindung erzielt.
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Die Hohlnadel ist insbesondere austauschbar an der Aufnahme angebracht. Dies bietet den Vorteil, dass eine verstopfte oder beschädigte Hohlnadel sehr einfach und schnell ersetzt werden kann.
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Besonders bevorzugt weist die strömungstechnische Kopplung mindestens eine Versorgungs-Hohlnadel und mindestens eine Abfuhr-Hohlnadel auf. Somit kann der Mikrofluidchip einerseits über die Versorgungs-Hohlnadel ein Arbeitsmedium zur Druckbeaufschlagung der Fluidprobe aufnehmen und andererseits über die Abfuhr-Hohlnadel eine Entlüftung ermöglichen. Gegebenenfalls kann auch Probefluid und/oder Arbeitsmedium über den Träger an das Steuergerät der mikrofluidischen Geräteeinheit abgegeben werden. Ein zusätzliches Reservoir für Probefluid und/ oder Arbeitsmedium im Mikrofluidchip ist dann nicht erforderlich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Geräteeinheit weist das Steuergerät mindestens eine Pumpe auf, die von der Ansteuereinheit angesteuert werden kann und deren Ausgang über die Verbindungsleitung mit dem Träger verbunden ist. Die Pumpe zur Druckbeaufschlagung der Fluidprobe befindet sich somit außerhalb des mobilen Trägers, sodass sich dieser besonders kompakt ausführen und beispielsweise zusammen mit dem Mikrofluidchip unter ein Mikroskop legen lässt.
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In dieser Ausführungsform der Geräteeinheit steht die Pumpe vorzugsweise mit der strömungstechnischen Kopplung in Verbindung. Dies ermöglicht eine einfache Druckbeaufschlagung der Fluidprobe über die Pumpe im Steuergerät. Mittels der Druckbeaufschlagung werden eine oder mehrere Fluidproben oder eine Fluidprobe und ein Reagenz, die zunächst in separaten Kanalstrukturabschnitten im Mikrofluidchip vorgehalten sind, zu einem Reaktionsraum oder einem Mischabschnitt transportiert, wo beispielsweise mittels optischer Bauelemente eine Analyse der fluidischen Komponenten durchgeführt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Geräteeinheit besteht die Aufnahme für den Mikrofluidchip aus mehreren Sockeln. Diese Lagerung des Mikrofluidchips auf einzelnen Sockeln ermöglicht zumindest abschnittsweise eine freie geometrische Gestaltung des Mikrofluidchips und des Trägers sowie eine gute Zugänglichkeit des Mikrofluidchips zur Untersuchung der Fluidprobe.
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In dieser Ausführungsform ist vorzugsweise mindestens einer der Sockel mit der strömungstechnischen Kopplung versehen.
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Dieser Sockel ist dann bevorzugt mit einem Anschluss für eine Fluidleitung versehen, die mit der Pumpe verbunden ist.
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Außerdem kann mindestens einer der Sockel mit einer Lichtquelle und/oder einem Lichtsensor versehen sein. Auf diese Weise lässt sich mit geringem technischen Aufwand die Fluidprobe optisch oder auch ihr Verhalten bei einer Bestrahlung mit Licht untersuchen. Ferner kann die Konzentration eines Bestandteils in einer Fluidprobe bestimmt werden oder es können Bestandteile einer Fluidprobe analysiert werden.
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Ferner kann mindestens einer der Sockel mit einem Permanentmagneten oder einem Gegenstück aus einem magnetischen Werkstoff versehen sein. Bei geeigneter Ausführung des Mikrofluidchips ermöglicht dies eine einfache magnetische Fixierung oder Arretierung des Mikrofluidchips am Träger sowie darüber hinaus auch eine einfache Demontage des Mikrofluidchips durch gezieltes Überwinden der magnetischen Haltekraft. Der Mikrofluidchip weist einen Grundkörper auf, der aus einem formbaren Kunststoff besteht und in dem mindestens ein Mikrofluidkanal vorgesehen ist, der zu mindestens einer der Seitenflächen des Grundkörpers geöffnet ist, und mit einer Verschlussfolie, die sich flächig über die Seitenflächen des Grundkörpers erstreckt, an welcher der Mikrofluidkanal geöffnet ist. Der Grundkörper ist bevorzugt mit mindestens einer Einkoppelfläche für Licht versehen. Diese Einkoppelfläche für Licht ermöglicht über den Träger der mikrofluidischen Geräteeinheit eine gezielte Bestrahlung der Fluidprobe mit Licht sowie eine gute Erfassung einer Rückstrahlung von der Fluidprobe.
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Vorzugsweise ist die Einkoppelfläche eine Seitenwand einer Vertiefung, die sich ausgehend von einer der Seitenflächen des Grundkörpers erstreckt.
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Diese Einkoppelfläche kann sich beispielsweise in einem Winkel von etwa 45° zur Seitenfläche erstrecken. Auf diese Weise lässt sich bei einer Bestrahlung senkrecht zur Seitenfläche des Mikrofluidchips das Licht in eine Richtung parallel zur Seitenfläche ablenken, sodass eine vorteilhafte Bestrahlung der Fluidprobe möglich ist. Analog gilt dies für einen Lichtsensor, der senkrecht zur Seitenfläche ausgerichtet ist und über die unter 45° abgeschrägte Einkoppelfläche zum Beispiel eine parallel zur Seitenfläche gerichtete Transmissionsstrahlung erfassen kann.
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Die als Einkoppelfläche ausgebildete Seitenwand der Vertiefung ist beispielsweise Teil einer Pyramide. Dies bietet vor allem fertigungstechnische Vorteile bei der Herstellung des Grundkörpers für den Mikrofluidchip.
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Darüber hinaus kann die Seitenwand der Vertiefung insbesondere mit einem spiegelnden Material beschichtet sein, um die Lichtreflexion zu verbessern.
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In einer Ausführungsform des Mikrofluidchips ist der Grundkörper flach und weist zwei voneinander abgewandte, parallel zueinander verlaufende Seitenflächen auf, die rechteckig sind.
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Die beiden Seitenflächen sind hierbei insbesondere mit einer Verschlussfolie versehen. Dieser Aufbau ermöglicht eine einfache und preiswerte Fertigung des Mikrofluidchips.
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Der Mikrofluidkanal des Mikrofluidchips weist bevorzugt mindestens einen Vorratsabschnitt auf. In diesem Vorratsabschnitt befindet sich ein Reagenz oder die Fluidprobe während der Lagerung des Mikrofluidchips, das heißt bevor der Mikrofluidchip am Träger der Geräteeinheit montiert und untersucht wird.
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Darüber hinaus kann der Mikrofluidkanal mindestens einen Mischabschnitt aufweisen. In diesem Mischabschnitt werden zum Beispiel unterschiedliche Fluidproben mittels einer Druckbeaufschlagung des Mikrofluidchips zusammengeführt und analysiert.
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In einer Ausführungsform des Mikrofluidchips ist der Grundkörper ein Spritzprägeteil aus einem transparenten Thermoplast wie zum Beispiel Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat (PMMA).
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Besonders bevorzugt ist der Grundkörper des Mikrofluidchips mit einem Permanentmagneten oder einem Gegenstück aus einem magnetischen Werkstoff versehen. Dies ermöglicht bei geeigneter Ausführung des Trägers eine einfache Positionierung oder Arretierung des Mikrofluidchips am Träger der mikrofluidischen Geräteeinheit. Dadurch wird sichergestellt, dass der am Träger montierte Mikrofluidchip bei einer Bewegung des mobilen Trägers nicht in unerwünschter Weise verrutscht oder herabfällt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1a und 1b perspektivische Ansichten einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Geräteeinheit mit Steuergerät und Träger sowie einem am Träger montierten Mikrofluidchip;
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2 eine weitere perspektivische Ansicht der mikrofluidischen Geräteeinheit gemäß den 1a und 1b, jedoch ohne Gehäuse des Steuergeräts und ohne Mikrofluidchip;
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3 eine Draufsicht auf die mikrofluidische Geräteeinheit gemäß 2 mit montiertem Mikrofluidchip;
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4 eine perspektivische Ansicht einer Pumpeneinheit im Steuergerät der mikrofluidischen Geräteeinheit gemäß den 1 bis 3;
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5 eine perspektivische Ansicht eines Träger der mikrofluidischen Geräteeinheit ohne Trägergehäuse, jedoch mit montiertem Mikrofluidchip;
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6 eine Draufsicht auf einen Träger der mikrofluidischen Geräteeinheit;
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7 eine perspektivische Ansicht eines Sockels zur Aufnahme optischer und/oder elektronischer Bauteile für den Träger gemäß 6;
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8 eine perspektivische Ansicht des Sockels gemäß 7 mit montierten optischen und elektronischen Bauteilen;
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9 eine Ansicht des Sockels gemäß 7 sowie eine schematische Skizze zur Erläuterung des optischen Prinzips;
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10 eine weitere perspektivische Ansicht des Sockels gemäß 7;
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11 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Sockels für den Träger gemäß 6;
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12 eine perspektivische Schnittansicht des Sockels gemäß 11;
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13 eine Seitenansicht des Sockels gemäß 11;
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14 eine Seitenansicht des Sockels gemäß 12;
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15 eine perspektivische Ansicht des Sockels gemäß 11 in einer alternativen Ausführungsform;
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16 eine perspektivische Ansicht des Sockels gemäß 11 in einer weiteren alternativen Ausführungsform;
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17 einen perspektivischen Detailschnitt des Trägers mit montiertem Mikrofluidchip im Bereich eines Sockels gemäß 15;
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18 eine Seitenansicht des Trägers mit montiertem Mikrofluidchip gemäß 17;
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19 eine perspektivische Ansicht des Trägers der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Geräteeinheit mit montiertem Mikrofluidchip;
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20 einen perspektivischen Detailschnitt durch den Träger mit montiertem Mikrofluidchip gemäß 19 im Bereich eines Arretierungsmittels;
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21 eine perspektivische Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Mikrofluidchips;
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22 eine Draufsicht auf den Mikrofluidchip gemäß 21;
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23 eine perspektivische, teiltransparente Untersicht des Mikrofluidchips gemäß 21;
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24 eine Untersicht des Mikrofluidchips gemäß den 21 bis 23; und
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25 einen Detailausschnitt des Mikrofluidchips im Anschlussbereich für eine strömungstechnische Kopplung des Trägers.
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Die 1 bis 3 zeigen eine mikrofluidische Geräteeinheit 10 mit einem Steuergerät 12, das mindestens eine Ansteuereinheit 14 aufweist, und einem Träger 16 für einen Mikrofluidchip 18.
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Der Träger 16 ist als vom Steuergerät 12 separates Modul ausgeführt, jedoch mit diesem durch mindestens eine Verbindungsleitung 20 so verbunden, dass die Ansteuereinheit 14 mindestens eine Funktion am Träger 16 ansteuern kann.
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Üblicherweise sind mehrere Verbindungsleitungen 20, beispielsweise Fluidleitungen, Stromleitungen oder sonstigen Signalleitungen vorgesehen, welche zur besseren Handhabung des Trägers 16 vorzugsweise zu einem Leitungsbündel zusammengefasst werden.
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In einem ersten Betriebszustand der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 gemäß 1a ist der Träger 16 in das Steuergerät 12 eingesetzt, sodass der Träger 16 zusammen mit dem Steuergerät 12 eine einheitliche und kompakte Baugruppe bildet, die im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist. Im Steuergerät 12 ist zur Aufnahme des Trägers 16 eine passgenaue Ausnehmung 19 vorgesehen. Der Träger 16 steht gemäß 1a in Bezug auf das Steuergerät 12 etwas vor, kann in einer alternativen Ausführungsvariante aber auch im Wesentlichen bündig mit einem Gehäuse 21 des Steuergeräts 12 abschließen und eine einheitliche Oberfläche mit dem Steuergerät 12 bilden.
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Die 1b zeigt einen zweiten Betriebszustand der mikrofluidischen Geräteeinheit 10, in welchem der Träger 16 aus der Ausnehmung 19 des Steuergeräts 12 herausgenommen ist, aber trotzdem jederzeit über die Verbindungsleitung 20 mit dem Steuergerät 12 verbunden bleibt. Um das Herausnehmen des Trägers 16 zu erleichtern, ist im Steuergerät 12 eine an die Ausnehmung 19 angrenzende Aussparung 23 vorgesehen, die im ersten Betriebszustand der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 unterhalb des Trägers 16 angeordnet ist, so dass der Träger 16 seitlich per Hand umfasst und auf einfache Weise dem Steuergerät 12 entnommen werden kann.
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Der Träger 16 ist mit einer Aufnahme 22 für den Mikrofluidchip 18 versehen, wobei in den 1a, 1b und 3 bereits ein Mikrofluidchip 18 am Träger 16 der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 montiert ist.
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In die Aufnahme 22 des Trägers 16 ist zum automatischen Anschließen des Mikrofluidchips 18 eine strömungstechnische Kopplung 24 integriert, auf deren genaue Ausgestaltung bei der Beschreibung der 17 und 18 noch genauer eingegangen wird.
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Das Steuergerät 12 der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 weist gemäß den 1 bis 3 eine Pumpeneinheit 30 mit mehreren Pumpen 26 auf, welche von der Ansteuereinheit 14 angesteuert werden können und deren Ausgänge 28 über die wenigstens eine Verbindungsleitung 20 mit dem Träger 16 der mikrofluidischen Geräteeinheit 10, konkret mit der strömungstechnischen Kopplung 24 des Trägers 16, in Fluidverbindung stehen (siehe auch 17 und 18).
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Die 4 zeigt die Pumpeneinheit 30 des Steuergeräts 12 im Detail, wobei die Pumpeneinheit 30 hier drei Spritzenpumpen zum Bereitstellen eines Arbeitsmediums umfasst. Als Arbeitsmedium wird insbesondere Luft verwendet, wobei alternativ auch ein anderes Gas bzw. Gasgemisch oder eine Flüssigkeit zum Einsatz kommen kann. Die Pumpeneinheit 30 ist mit als Schrittmotoren ausgebildeten Linearaktuatoren 32, Drucktransmittern 34 sowie Ventilen 36 ausgestattet. Damit lässt sich eine Fluidprobe im Mikrofluidchip 18 kontinuierlich und im Wesentlichen pulsationsfrei fördern. Die Ansteuerung der Pumpeneinheit 30 erfolgt über die Ansteuereinheit 14, welche wiederum über ein Display 38 bedient wird.
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Die 5 zeigt den mobilen Träger 16 der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 mit einem montierten Mikrofluidchip 18, allerdings ohne das Trägergehäuse 44. Dadurch ist gut zu erkennen, dass die Aufnahme 22 des Trägers 16 für den Mikrofluidchip 18 aus mehreren Sockeln 50 besteht. Insbesondere sind drei Sockel 50 vorgesehen, um eine stabile, statisch bestimmte Lagerung für den Mikrofluidchip 18 sicherzustellen.
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Die 6 zeigt eine Draufsicht des Trägers 16 mit dem Trägergehäuse 44, jedoch ohne den Mikrofluidchip 18. Anhand dieser Draufsicht wird deutlich, dass die Sockel 50 mit der strömungstechnischen Kopplung 24 versehen sind. Dementsprechend ist jeder Sockel 50 auch mit Fluidanschlüssen 40, 42 versehen, welche über die Verbindungsleitung 20 mit dem Steuergerät 12 verbunden werden können, insbesondere mit der Pumpeneinheit 30 des Steuergeräts 12.
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Im Übrigen weist der Träger 16, konkret ein Sockel 46 des Trägers 16, ein Heizelement 52 auf, das ebenfalls über die Verbindungsleitung 20 mit der Ansteuereinheit 14 des Steuergeräts 12 verbunden ist. Insbesondere ist das Heizelement 52 elastisch nachgiebig am Träger 16 angebracht, sodass bei der Montage des Mikrofluidchips 18 eine gewisse Andruckkraft zwischen dem Mikrofluidchip 18 und dem Heizelement 52 entsteht. Diese Andruckkraft sorgt für eine gute Wärmeübertragung zum Mikrofluidchip 18, dessen Fluidprobe 66 durch das Heizelement 52 zumindest bereichsweise thermisch beaufschlagt werden kann.
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Gemäß 6 weist der Träger 16 der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 ferner einen Sockel 48 auf, der mit einer Lichtquelle 54 und einem Lichtsensor 56 versehen ist.
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In den 7 und 8 ist der Sockel 48 in perspektivischer Ansicht ohne bzw. mit optischen und elektronischen Einbauteilen dargestellt. Um den Fertigungsaufwand zu verringern, ist es denkbar, den Sockel 48 für unterschiedliche Baureihen der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 baugleich auszubilden, also generell Aussparungen 68 für denkbare optische und elektronische Bauteile vorzusehen, welche dann je nach Bedarf optional bestückt werden können.
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Der Sockel 48 des Trägers 16 weist gemäß 8 zwei Lochblenden 58, 60, eine Lichtquelle 54 sowie Lichtsensoren 56 zur Fluoreszenz- und Transmissionsmessung auf. Die Lichtquelle 54 ist beispielsweise eine Leuchtdiode und kann über die Verbindungsleitung 20 von der Ansteuereinheit 14 aus angesteuert werden. Entsprechend sind die Lichtsensoren 56 beispielsweise Fotodioden, deren Signale über die Verbindungsleitung 20 zur Ansteuereinheit 14 übertragen werden können. Zusätzlich sind in den Sockel 48 noch optische Bauteile zur Lichtbrechung und Frequenzfilterung eingebaut, wie zum Beispiel eine Linse 62 bzw. chromatische Filter 64. Die Geräteeinheit 10 umfasst des Weiteren eine elektronische Auswerteeinheit zur Erfassung der optischen Signale, so dass die Fluidproben und deren Bestandteile analysiert werden können.
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In der schematischen Skizze gemäß 9 ist für den oben beschriebenen Sockel 48 das optische Prinzip für die Beaufschlagung einer Fluidprobe 66 im Mikrofluidchip 18 dargestellt. Dabei wird das Licht von der Lichtquelle 54 über den Filter 64 in den Mikrofluidchip 18 eingeleitet, um die Fluidprobe 66 mit Licht zu beaufschlagen und nachfolgend über geeignete Lichtsensoren 56 Fluoreszenz- und/oder Transmissionsmessungen durchführen zu können.
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Auf die Lichtleitung im Mikrofluidchip 18 wird bei der detaillierten Beschreibung des Mikrofluidchips 18 anhand der 21 bis 25 noch näher eingegangen.
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Die 10 zeigt den Sockel 48 gemäß den 7 und 8 in einer perspektivischen Rückansicht, in der weitere Aussparungen 68 für elektronische Bauteile zu sehen sind. Beispiele für elektronische Bauteile, die in diesen Aussparungen 68 aufgenommen werden können, sind eine Elektronikplatine zur Ansteuerung der Lichtquelle 54 oder ein Verstärker zur Auswertung der Lichtsensoren 56.
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Selbstverständlich können in die Sockel 46, 48, 50 des Trägers 16 weitere Funktionen integriert werden oder zusätzliche Sockel mit weiteren Funktionen vorgesehen sein. Beispielsweise ist denkbar, dass der Träger 16 ein Induktionselement (nicht dargestellt) aufweist, welches über die Verbindungsleitung 20 von der Ansteuereinheit 14 angesteuert werden kann, um die Fluidprobe 66 mit einer elektrischen oder elektromagnetischen Kraft zu beaufschlagen.
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Die 11 bis 16 zeigen mögliche Detailausführungen der strömungstechnischen Kopplung 24, welche in die Aufnahme 22 des Trägers 16 integriert ist.
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Die strömungstechnische Kopplung 24 enthält dabei jeweils zwei Hohlnadeln 70, 72, welche austauschbar an der Aufnahme 22 des Trägers 16 angebracht sind. Eine der Hohlnadeln 70, 72 ist dabei eine Versorgungs-Hohlnadel 70 zur Zuleitung von Arbeitsmedium aus dem Steuergerät 12 in den Mikrofluidchip 18, wohingegen die andere der Hohlnadeln 70, 72 eine Abfuhr-Hohlnadel 72 ist, die im Wesentlichen der Entlüftung dient. Es könnte zusätzlich vorgesehen sein, dass über die Abfuhr-Hohlnadel 72 Probefluid und/oder Arbeitsmedium aus dem Mikrofluidchip 18 zum Steuergerät 12 abgeführt wird.
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Die Hohlnadeln 70, 72 ragen dabei über eine Auflagefläche 74 des Sockels 50 hinaus, sodass sie bei der Montage des Mikrofluidchips 18 in einen Mikrofluidkanal 76 des Mikrofluidchips 18 (siehe 17 und 18) eindringen.
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Eine erste Ausführungsvariante der strömungstechnischen Kopplung 24, bei welcher die Hohlnadeln 70, 72 abgeschrägte Enden 78 aufweisen, ist in den 11 bis 14 dargestellt. Die über die Auflagefläche 74 hinausragenden, abgeschrägten, scharfkantigen Enden 78 der Hohlnadeln 70, 72 bieten den Vorteil, dass sich die Fluidverbindung zu den Mikrofluidkanälen 76 des Mikrofluidchips 18 mit minimalem Kraftaufwand herstellen lässt. Aus diesem Grund ist bei der Positionierung und Montage des Mikrofluidchips 18 an der Aufnahme 22 des Trägers 16 allerdings auch besondere Sorgfalt geboten, damit der Mikrofluidchip 18 nicht bereits vor Erreichen seiner endgültigen Montageposition von den abgeschrägten Enden 78 der Hohlnadeln 70, 72 beschädigt wird.
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In einer alternativen, zweiten Ausführungsvariante der strömungstechnischen Kopplung 24 gemäß 15 sind die Enden 78 der Hohlnadeln 70, 72 abgeflacht und erstrecken sich parallel zur Auflagefläche 74 des Sockels 50. In dieser Ausführungsvariante ist die Gefahr einer Beschädigung des Mikrofluidchips 18 vor Erreichen seiner endgültigen Montageposition deutlich verringert. Allerdings ist im Vergleich zur ersten Ausführungsvariante gemäß den 11 bis 14 auch eine deutlich höhere Montagekraft notwendig, um die Fluidanschlüsse 40, 42 des Sockels 50 mit den Mikrofluidkanälen 76 des Mikrofluidchips 18 zu verbinden.
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In einer alternativen, dritten Ausführungsvariante der strömungstechnischen Kopplung 24 gemäß 16 sind Positionierstifte 80 vorgesehen, welche über die Auflagefläche 74 des Sockels 50 hinausragen, um die Gefahr einer Beschädigung des Mikrofluidchips 18 vor Erreichen seiner Montageposition weiter zu verringern. Vorzugsweise ragen die Positionierstifte 80 weiter über die Auflagefläche 74 des Sockels 50 hinaus als die Enden 78 der Hohlnadeln 70, 72. Im Übrigen sind die freien Enden 82 der Positionierstifte 80 abgerundet oder abgeflacht, sodass eine Beschädigung des Mikrofluidchips 18 vor Erreichen seiner Montageposition weitgehend ausgeschlossen ist. Bei Erreichen der Montageposition greifen die Positionierstifte 80 in entsprechende Positionieröffnungen 84 des Mikrofluidchips 18 (siehe 24 und 25) ein. Durch Aufbringen einer entsprechenden Montagekraft senkrecht zur Auflagefläche 74 kann dann in der Montageposition die Verbindung zu den Mikrofluidkanälen 76 des Mikrofluidchips 18 hergestellt werden.
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Vorzugsweise ist die zur Verfügung stehende Magnetkraft ausreichend groß, dass beim Auflegen des Mikrofluidchips 18 auf die Positionierstifte 80, der Mikrofluidchip 18 bis zum Erreichen seiner stabilen Montageposition an der Auflagefläche 74 durch die Magnetkraft angezogen wird, wobei die Enden der Hohlnadeln 70, 72 dann die Verschlussfolie 96 durchbrechen. Es wird keine zusätzliche von außen aufgebrachte Anpresskraft benötigt.
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Die Fluidverbindung zwischen dem Fluidanschluss 40 des Trägers 16 und dem Mikrofluidkanal 76 des Mikrofluidchips 18 ist in den Detailschnitten der 17 und 18 zu sehen. Der Fluidanschluss 40 ist dabei am Sockel 50 des Trägers 16 ausgebildet und steht mit einer austauschbaren Hohlnadel 70 in Fluidverbindung, wobei die Hohlnadel 70 im montierten Zustand des Mikrofluidchips 18 in dessen Mikrofluidkanal 76 hineinragt und folglich mit dem Mikrofluidchip 18 strömungstechnisch verbunden ist.
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Insgesamt steht die Pumpeneinheit 30 somit über den Ausgang 28, die Verbindungsleitung 20 sowie den Fluidanschluss 40 mit der strömungstechnischen Kopplung 24 des Trägers 16 in Strömungsverbindung.
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Gemäß den 17 und 18 ist in der Auflagefläche 74 des Sockels 50 ein Dichtring 86 vorgesehen, der die Hohlnadel 70 umschließt und die Einstichstelle zum Mikrofluidchip 18 hin abdichtet.
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Besonders bevorzugt ist am Träger 16 ein Arretierungsmittel 88 für den Mikrofluidchip 18 angeordnet, um ein unerwünschtes Verrutschen des montierten Mikrofluidchips 18 bei einer Bewegung des mobilen Trägers 16 zu verhindern. Das Arretierungsmittel 88 weist dabei insbesondere einen Permanentmagneten oder ein Gegenstück aus einem magnetischen Werkstoff auf. Konkret ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen wenigstens einer der Sockel 50 des Trägers 16 mit einem solchen Arretierungsmittel 88 versehen. Entsprechende Aussparungen 90 zur Aufnahme des Arretierungsmittels 88 sind bereits in den 11 bis 14 und 16 angedeutet, wobei die Aussparungen 90 nahe der Auflagefläche 74 im Sockel 50 angeordnet sind.
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Wird im Sockel 50 ein Permanentmagnet oder ein Gegenstück aus einem magnetischen Werkstoff als Arretierungsmittel 88 eingesetzt, so muss im Mikrofluidchip 18, insbesondere in einem Grundkörper 92 des Mikrofluidchips 18, entsprechend ein Gegenstück aus einem magnetischen Werkstoff bzw. ein Permanentmagnet als Arretierungsmittel 88 vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang zeigt die 19 den Träger 16 der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 mit montiertem Mikrofluidchip 18, wobei der Mikrofluidchip 18 beispielhaft drei magnetische Arretierungsmittel 88 aufweist.
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Die 20 zeigt einen Detailschnitt durch den Träger 16 mit montiertem Mikrofluidchip 18 gemäß 19 im Bereich der Arretierungsmittel 88. Dabei wird deutlich, dass sich die zusammenwirkenden magnetischen Arretierungsmittel 88 im Montagezustand des Mikrofluidchips 18 maximal angenähert haben und folglich eine Magnetkraft ausüben, welche den Mikrofluidchip 18 in seine Montageposition beaufschlagt.
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Wird der Mikrofluidchip 18 zur Montage am Träger 16 auf die Positionierstifte 80 gemäß 16 aufgelegt und parallel zur Auflagefläche 74 verschoben, so ist die Magnetkraft der Arretierungsmittel 88 insbesondere so groß, dass die Magnetkraft bei Erreichen der Montageposition des Mikrofluidchips 18 die notwendige Montagekraft übersteigt und dementsprechend die Hohlnadeln 70, 72 in die Mikrofluidkanäle 76 des Mikrofluidchips 18 eingedrückt werden.
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Die 21 zeigt den Aufbau des Mikrofluidchips 18 zur Montage an der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 gemäß den 1 bis 20, umfassend einen Grundkörper 92, der aus einem formbaren Kunststoff besteht, sowie eine Verschlussfolie 94, 96, welche sich flächig über die Seitenfläche 98, 100 des Grundkörpers 92 erstreckt. Der Grundkörper 92 und die Verschlussfolien 94, 96 sind zumindest im Bereich des Sockels 48 transparent ausgebildet.
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Im Grundkörper 92 des Mikrofluidchips 18 ist wenigstens ein Mikrofluidkanal 76 vorgesehen, der zumindest an einer der Seitenflächen 98, 100 des Grundkörpers 92 geöffnet und durch die Verschlussfolie 94, 96 abgedeckt und verschlossen ist. Im vorliegenden Fall ist jede der beiden entgegengesetzten Seitenflächen 98, 100 des Grundkörpers 92 mit einer Verschlussfolie 94, 96 versehen.
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Der Grundkörper 92 ist insbesondere ein flaches Spritzprägeteil aus einem transparenten Thermoplast wie Polycarbonat oder PMMA, wobei die zwei voneinander abgewandten Seitenflächen 98, 100 im Wesentlichen rechteckig sind und parallel zueinander verlaufen.
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Durch diese Konstruktion des Mikrofluidchips 18 sind die Material- und Herstellungskosten äußerst gering, sodass der Mikrofluidchip 18 in vorteilhafter Weise als Einwegteil eingesetzt werden kann.
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Die 22 zeigt eine Draufsicht auf den Mikrofluidchip 18 gemäß 21, wohingegen die 23 eine perspektivische, teiltransparente Untersicht und die 24 eine Untersicht des Mikrofluidchips 18 gemäß 21 zeigen.
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Insbesondere anhand der 21 bis 23 wird deutlich, dass der Grundkörper 92 mit Einkoppelflächen 102 für Licht versehen ist. Jede Einkoppelfläche 102 ist dabei eine Seitenwand einer Vertiefung 104, die sich ausgehend von einer der Seitenflächen 98, 100 in den Grundkörper 92 erstreckt, wobei die Vertiefung 104 insbesondere pyramidenstumpfförmig ausgebildet und die Seitenwand somit Teil der Mantelfläche eines viereckigen Pyramidenstumpfes ist. Es können aber auch andere geometrische Figuren mit zum Beispiel nur drei Seitenflächen verwendet werden.
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Die als Einkoppelfläche 102 für Licht ausgebildete Seitenwand kann insbesondere mit einem spiegelnden Material beschichtet sein, um die Lichtreflexion der Seitenwand zu verstärken.
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Des Weiteren erstreckt sich die Einkoppelfläche 102 für Licht vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45° zur Seitenfläche 98, 100 des Grundkörpers 92, wie in 9 angedeutet. Bei einem Winkel der Einkoppelfläche 102 für Licht von 45° wird senkrecht zu den Seitenflächen 98, 100 einfallendes Licht der Lichtquelle 54 durch die Einkoppelfläche 102 so umgelenkt, dass die Fluidprobe 66 parallel zu den Seitenflächen 98, 100 des Grundkörpers 92 bestrahlt wird. Analog wird das Licht von einer weiteren Einkoppelfläche 102 zur Transmissionsmessung wieder in eine Richtung senkrecht zu den Seitenflächen 98, 100 umgelenkt, sodass das Licht direkt auf den Lichtsensor 56 im Sockel 48 trifft.
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Die Mikrofluidkanäle 76 im Mikrofluidchip 18 weisen gemäß den 21 bis 23 zwei Vorratsabschnitte 106 auf, welche als Speicher für die Fluidprobe 66 oder ein Reagenz dienen. Diese Vorratsabschnitte 106 sind bevorzugt mäanderförmig mit wenigstens drei Kanalwindungen aufgebaut. Auf diese Weise lässt sich bei vergleichsweise geringer Höhe des Mikrofluidchips 18, also einer geringen Abmessung des Grundkörpers 92 senkrecht zu den Seitenflächen 98, 100, eine relativ große Fluidmenge speichern. Der Mikrofluidchip 18 ist somit besonders flach, was sich positiv auf die Analysemöglichkeiten und Analyseergebnisse der Fluidprobe 66 auswirkt.
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Des Weiteren umfassen die Mikrofluidkanäle 76 des Mikrofluidchips 18 gemäß den 23 und 24 einen Mischabschnitt 108, in welchem beispielsweise eine Untersuchung oder Analyse der Fluidprobe 66 erfolgt.
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Die 25 zeigt schließlich einen Ausschnitt des Mikrofluidchips 18 im Verbindungsbereich mit der strömungstechnischen Kopplung 24 des Trägers 16. Hierbei sind insbesondere die Aussparung 90 zur Aufnahme des Arretierungsmittels 88 sowie zwei Positionieröffnungen 84 zur Aufnahme von Positionierstiften 80 des Sockels 50 zu erkennen. Ferner sind mäanderförmige Vorratsabschnitte 106 zweier Mikrofluidkanäle 76 angedeutet, welche an ihren Kanalenden jeweils einen Anschlussbereich 110 aufweisen, an dem die Hohlnadeln 70, 72 in den Mikrofluidkanal 76 eindringen können, um eine Fluidverbindung zwischen dem Mikrofluidkanal 76 und dem Steuergerät 12 herzustellen.
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Die Anordnung der Sockel 46, 48, 50 im Träger 16 ist so auf die Geometrie des Mikrofluidchips 18 und die Anordnung der Mikrofluidkanäle 76 abgestimmt, dass definierte Funktionen automatisch erreicht werden: Die Sockel 46, 48, 50 sind im Träger 16 so angeordnet, dass beim Einbringen des Mikrofluidchips 18 in die Aufnahme 22 des Trägers 16 die in den Sockeln 50 aufgenommenen Hohlnadeln 70, 72 mit ihren Enden 78 in die Vorratsabschnitte 106 der Mikrofluidkanäle 76 ragen. Genauso ist der Sockel 48, der die optischen Bauelemente aufnimmt, im Träger 16 so angeordnet, dass sich beim Einbringen des Mikrofluidchips 18 in die Aufnahme 22 des Trägers 16 eine optische Messstrecke durch den Mischabschnitt 108 oder eine Reaktionskammer der Mikrofluidkanäle 76 ausbildet.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der mikrofluidischen Geräteeinheit 10 an einem Beispiel beschrieben.
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Zunächst wird mindestens ein Vorratsabschnitt 106 des Mikrofluidchips 18 mit einem Reagenz (oder einer Fluidprobe 66) befüllt. Dazu wird, vorzugsweise mit einer Spritze, die Verschlussfolie 94, 96 an einer zur vorgesehenen Einstichstelle der im Sockel 50 aufgenommenen Hohlnadel 70, 72 benachbarten Stelle durchbrochen. Dadurch bleibt vor dem Fluid ein Luftpolster. Die Reaktionskammer bzw. der Mischabschnitt 108 wird in gleicher Weise mittels einer Spritze durch die Verschlussfolie 94, 96 hindurch mit der zu analysierenden Fluidprobe 66 befüllt. Zum Entweichen der Luft in den Mikrofluidkanälen 76 werden zusätzliche Öffnungen in die Verschlussfolie 94, 96 eingebracht.
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Der so vorbereitete Mikrofluidchip 18 wird in die Aufnahme 22 des Trägers 16 eingesetzt, wobei mindestens eine der in den Sockeln 50 aufgenommenen Hohlnadeln 70, 72 die Verschlussfolie 96 unterhalb des Luftpolsters durchbricht und in den Mikrofluidkanal 76 im Bereich des Vorratsabschnitts 106 hineinragt. Das Luftpolster hat den Vorteil, dass die Hohlnadel 70, 72 nicht mit Reagenz kontaminiert wird. Über das Steuergerät 12 wird eine Pumpe 26 der Pumpeneinheit 30 aktiviert und so ein Arbeitsmedium, vorzugsweise Luft, durch die Hohlnadel 70, 72 in den Vorratsabschnitt 106 gebracht. Dadurch wird das Reagenz zur die Fluidprobe 66 aufnehmenden Reaktionskammer transportiert. Die Reaktionskammer ist im Mikrofluidchip 18 so angeordnet, dass sie sich in der Montagestellung des Mikrofluidchips 18 zwischen zwei Einkoppelflächen 102 für Licht befindet. Mittels der optischen Bauelemente, die in dem unterhalb der Reaktionskammer angeordneten Sockel 48 aufgenommen sind, bildet sich eine optische Messstrecke aus, wobei Licht die Reaktionskammer durchquert. Mittels einer Auswerteelektronik im Steuergerät 12 werden die Signale erfasst und ausgewertet, was eine Analyse der Fluidprobe 66 ermöglicht. Die Messergebnisse werden am Display 38 des Steuergeräts 12 angezeigt.
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Mit der Geräteeinheit 10 können auf einfache Weise viele Analysen hintereinander durchgeführt werden. Die Mikrofluidchips 18 werden dazu einfach ausgewechselt.
