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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikrofluidisches System zum Analysieren einer Probenlösung, auf ein Verfahren zum Analysieren einer Probenlösung und auf ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems zum Analysieren einer Probenlösung.
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Mikrofluidische Diagnosesysteme wie Chiplabore bzw. Labs-on-Chip (LoC) erlauben eine miniaturisierte und integrierte Durchführung komplexer fluidischer Arbeitsabläufe insbesondere für den spezifischen Nachweis verschiedenster Moleküle. Die
DE 10 2009 035 270 A1 beschreibt einen Einweg-Multiplex-Polymerase-Kettenreaktions-Chip und ein Polymerase-Kettenreaktionsgerät.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein mikrofluidisches System zum Analysieren einer Probenlösung, ein Verfahren zum Analysieren einer Probenlösung und ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems zum Analysieren einer Probenlösung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein mikrofluidisches System bereitgestellt werden, das als Aufteilungskammer eine zentrale Kammer für die Aufnahme einer Probenlösung aufweist. Durch einen Verdrängungsmechanismus bzw. eine Anbringung einer flexiblem Membran, die an definierten Stellen auslenkbar bzw. verformbar ist, kann eine vorteilhafte Manipulation von Flüssigkeiten bzw. flüssigen Proben ermöglicht werden. Ist oder wird die Kammer mit einer Probenlösung befüllt, könen durch Auslenken der Membran einzelne Teilvolumina bzw. Reaktionskammern entstehen und Teilmengen bzw. Teilvolumina eines eingebrachten Probevolumens einschließen. Optional kann zur Probenaufteilung auch eine Modifikation von Oberflächen der Kammer an definierten Stellen realisiert werden, um beispielsweise hydrophile und/oder hydrophobe Eigenschaften zu erreichen. Zusätzlich oder alternativ kann eine physische Unterteilung der Kammer durch Säulen oder dergleichen realisiert werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können geeignete Strukturen und Prozessabläufe für eine Unterteilung und Verteilung einer Probenlösung auf mehrere Teilvolumina bzw. Reaktionskammern bereitgestellt werden, um die Probenlösung mit eigenständigen und abgeschlossenen Reaktionen auf verschiedene Parameter hin untersuchen zu können.
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Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein integriertes Aufteilungsprinzip bzw. Aliquotierprinzip für ein mikrofluidisches System bereitgestellt werden, das sich dadurch weiter miniaturisieren lässt und auch in einem Parallelisierungsgrad hinsichtlich einer Probenanalyse steigerbar ist. In jeder geschaffenen Reaktionskammer bzw. an jedem Teilvolumen kann beispielsweise eine separate Nachweisreaktion durchgeführt werden bzw. kann die Probenlösung auf verschiedene Parameter hin untersucht werden. Verschiedene Nachweisreaktionen können dabei innerhalb einer Methode oder methodenübergreifend durchgeführt werden. Letzteres hat zudem den Vorteil, dass eine Probenlösung mittels verschiedener Methoden analysiert werden kann. Somit können Zeit und Kosten eingespart werden. Durch eine physische Abtrennbarkeit der einzelnen Reaktionskammern bzw. Teilvolumina können Querkontaminationen und dadurch Kreuzreaktionen ausgeschlossen oder minimiert werden. Auch kann beispielsweise ein Einsatz eines DNA-Mikroarrays zum Nachweis unterschiedlicher DNA-Moleküle vermieden werden. Insbesondere dadurch, dass Nachweisreaktionen in einer homogenen Phase durchführbar sind, kann eine beschleunigte Reaktionskinetik erzielt werden, was sich positiv auf eine Analysezeitdauer bzw. Time-to-result und auf eine Sensitivität auswirken kann.
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Es wird ein mikrofluidisches System zum Analysieren einer Probenlösung vorgestellt, wobei das mikrofluidische System folgende Merkmale aufweist:
eine Aufteilungskammer zum Aufnehmen eines Eingangsvolumens der Probenlösung, wobei die Aufteilungskammer eine Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten zum Aufnehmen von für Nachweisreaktionen verwendbaren Teilvolumina der Probenlösung aufweist; und
eine Verdrängungseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina aufzuteilen.
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Bei dem mikrofluidischen System kann es sich um ein analytisches System handeln, insbesondere ein mikrofluidisches Lab-on-Chip-System bzw. Chiplabor-System zur medizinischen Diagnostik, mikrobiologischen Diagnostik oder Umweltanalytik. Das mikrofluidische System kann einen Abschnitt zum Einbringen der Probenlösung in das mikrofluidische System und zusätzlich oder alternativ eine Aktuierungseinheit aufweisen, um der Aufteilungskammer die Probelösung und optional Stoffe zum Vorbereiten und Analysieren der Probenlösung zuzuführen. Als Probenlösung kann eine zu analysierende Flüssigkeit, typischerweise eine flüssige oder verflüssigte Patientenprobe, z. B. Blut, Urin, Stuhl, Sputum, Liquor, Lavage, ein ausgespülter Abstrich oder eine verflüssigte Gewebeprobe, oder eine Probe eines nichtmenschlichen Materials bezeichnet werden. Das Eingangsvolumen der Probenlösung kann einem in die Aufteilungskammer eingebrachten Volumen der Probenlösung entsprechen. In den Teilvolumenabschnitten können die Teilvolumina der Probenlösung mittels der Verdrängungseinrichtung aggregiert bzw. vereinzelt werden. Anders ausgedrückt kann die Verdrängungseinrichtung ausgebildet sein, um die Teilvolumina der Probenlösung in den Teilvolumenabschnitten zu aggregieren bzw. zu vereinzeln. Insbesondere kann die Verdrängungseinrichtung ausgebildet sein, um die Probenlösung zu aliquotieren. Unter Aliquotieren kann ein Unterteilen von großen in kleine Flüssigkeitsvolumina und deren Einschließen in einzelne Reaktionskammern bzw. Teilvolumenabschnitte verstanden werden. Die Probenlösung kann dabei in gleich große oder unterschiedlich große Teilvolumenabschnitte, Teilevolumina oder Reaktionskammern aufgeteilt werden. Beispielsweise kann die Verdrängungseinrichtung auch ausgebildet sein, um ein sogenanntes Metering an der Probenlösung durchzuführen. Ferner kann die Verdrängungseinrichtung ausgebildet sein, um eine physische Separation der Teilvolumina voneinander zu bewirken. Mittels der Verdrängungseinrichtung bzw. Aliqoutierstruktur können in einem Chiplabor-System bzw. Lab-on-Chip-System Probenlösungen beispielsweise parallel mittels multipler Nachweisreaktionen analysiert werden. Bei den Nachweisreaktionen kann es sich beispielsweise um Reaktionen aus den Bereichen Nukleinsäreanalytik, Verdünnungsreihenexperimente wie zum Beispiel Wirksamkeitstests, Immunoassays, klinischer Chemie etc. handeln.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Verdrängungseinrichtung ausgebildet sein, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina und ein Restvolumen aufzuteilen. Hierbei kann die Verdrängungseinrichtung ausgebildet sein, um eine in dem Restvolumen befindliche Probenlösung aus der Aufteilungskammer zu verdrängen. Alternativ kann hierbei die Verdrängungseinrichtung ausgebildet sein, um eine in dem Restvolumen befindliche Probenlösung aus der Aufteilungskammer ausspülbar bereitzustellen. Das Restvolumen der Probelösung kann dabei außerhalb der Volumenabschnitte der Aufteilungskammer angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Lufteinschlüsse in der Aufteilungskammer vermieden oder minimiert werden können und zusätzlich oder alternativ eine einfache Abfuhr des Restvolumens aus der Aufteilungskammer ermöglicht wird.
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Insbesondere kann die Verdrängungseinrichtung zumindest eine auslenkbare, flexible Membran aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in unaufwendig zu realisierender Weise eine zuverlässige Aufteilung der Probenlösung erreicht werden kann.
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Dabei kann die zumindest eine Membran im Bereich der Teilvolumenabschnitte mindestens teilflächig unauslenkbar mit einer Hauptoberfläche der Aufteilungskammer verbunden sein. Hierbei kann die zumindest eine Membran außerhalb der Teilvolumenabschnitte mindestens teilflächig in Anlage gegen eine gegenüberliegende Hauptoberfläche der Aufteilungskammer auslenkbar sein. Insbesondere kann die Membran mittels kreisförmiger oder flächiger Verfügung mit einer Fügeschicht eines Schichtaufbaus des mikrofluidischen Systems verbunden sein. Die Membran kann ringförmig bzw. Donut-förmig mit der gegenüberliegenden Hauptoberfläche der Aufteilungskammer in Kontakt bringbar sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf besonders einfache Weise Teilvolumina der Probenlösung gebildet bzw. voneinander isoliert werden können.
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Auch kann dabei eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen zum Leiten eines Mediums zum Auslenken der zumindest einen Membran vorgesehen sein, wobei die Durchgangsöffnungen in die Aufteilungskammer mündend ausgeformt sein können. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um Druckluft, Öl oder dergleichen handeln. Auf einer von Mündungsöffnungen der Durchgangsöffnungen abgewandten Seite der Durchgangsöffnungen können Mittel zum Anlegen von Druck an das Medium angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Membran auf diese Weise konstruktiv unaufwendig sowie zuverlässig und für eine definierte Zeitdauer ausgelenkt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform können in zumindest einer Teilmenge der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer Reagenzien für Nachweisreaktionen anordenbar oder angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann die Aufteilungskammer in zumindest einer Teilmenge der Teilwohnungsabschnitte vorgelagerte Reagenzien aufweisen. Die Reagenzien können hierbei identisch, gleichartig oder unterschiedlich sein. Eine solche Vorlagerung unterschiedlicher Reagenzien in unterschiedlichen Bereichen der Aufteilungskammer bietet den Vorteil, dass in jedem Teilvolumenabschnitt eine eigenständige Reaktion an einem Teilvolumen der Probenlösung durchgeführt werden kann.
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Auch kann die Aufteilungskammer eine Einbringöffnung zum Einbringen der Probenlösung und optional zumindest eines weiteren Stoffs in die Aufteilungskammer und mindestens eine Auslassöffnung zum Auslassen von Stoffen aus der Aufteilungskammer aufweisen. Bei dem zumindest einen weiteren Stoff kann es sich um Reagenzien für Nachweisreaktionen, Spüllösungen etc. handeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Stoffe auf einfache Weise in die Aufteilungskammer eingebracht sowie aus derselben abgeführt werden können.
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Ferner kann die Aufteilungskammer zum Fördern des Aufteilens des Eingangsvolumens in die Teilvolumina hydrophile Teilabschnitte, hydrophobe Teilabschnitte und zusätzlich oder alternativ Säulen aufweisen. Beispielsweise kann die Aufteilungskammer in den Teilvolumenabschnitten zumindest partiell eine hydrophile Oberfläche aufweisen und zusätzlich oder alternativ außerhalb der Teilvolumenabschnitte zumindest partiell eine hydrophobe Oberfläche aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Aufteilung der Probenlösung in die Teilvolumina beschleunigt und/oder vereinfacht werden kann.
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Ferner wird ein Verfahren zum Analysieren einer Probenlösung vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems;
Einbringen eines Eingangsvolumens der Probenlösung in die Aufteilungskammer; und
Betätigen der Verdrängungseinrichtung, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina aufzuteilen.
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Das Verfahren kann in Verbindung mit einer Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems vorteilhaft ausgeführt werden, um die Probenlösung zu analysieren. Im Schritt des Betätigens kann die Verdrängungseinrichtung derart betätigt werden, dass die Teilvolumina mittels der Verdrängungseinrichtung für eine definierbare Zeitdauer physisch getrennt bleiben. Auch kann das Verfahren nach dem Schritt des Betätigens einen Schritt des Zwischenspülens der Aufteilungskammer aufweisen, um außerhalb der Teilvolumenabschnitte angeordnetes Restvolumen der Probenlösung aus der Aufteilungskammer herauszuspülen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren auch einen Schritt des Durchführens von Nachweisreaktionen an den Teilvolumina der Probenlösung in den Teilvolumenabschnitten mittels in zumindest einer Teilmenge der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer angeordneter Reagenzien aufweisen. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Auswertens von Ergebnissen der Nachweisreaktionen aufweisen. Dabei kann der Schritt des Auswertens während und zusätzlich oder alternativ nach dem Schritt des Durchführens von Nachweisreaktionen ausgeführt werden. Auch kann das Verfahren einen Schritt des Anordnens von Reagenzien für den Nachweisreaktionen in zumindest einer Teilmenge der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Zeit und Platz sparende Möglichkeit zum Analysieren der Probenlösung bereitgestellt werden kann. Wenn der Schritt des Auswertens während des Schrittes des Durchführens von Nachweisreaktionen ausgeführt wird, kann eine Echtzeitmessung durchgeführt werden, wobei quantitative Informationen erhoben werden können.
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Insbesondere kann eine Anwendung für eine verschachtelte Polymerase-Kettenreaktion bzw. Nested-PCR (PCR = Polymerase Chain Reaction) vorteilhaft sein. Durch Amplifikation eines längeren DNA-Bereiches, auf dem beispielsweise mehrere Ziel-Sequenzen liegen, aus der Probenlösung in einer ersten PCR, die beispielsweise in einer von der Aufteilungskammer getrennten Kammer durchgeführt werden kann, kann genügend Material für Einzelnachweisreaktionen im Rahmen einer zweiten PCR erzeugt werden, die beispielsweise in der Aufteilungskammer durchgeführt werden kann. Somit kann vermieden werden, dass zu untersuchendes Probenmaterial, das häufig sehr wenige Ziel-Moleküle enthalten kann, direkt bzw. ohne Voramplifikation auf mehrere Reaktionskammern verteilt wird, wobei die einzelnen Kammern zu wenig genetisches Ausgangsmaterial für eine Nachweisreaktion enthalten können.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems zum Analysieren einer Probenlösung vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausformen einer Aufteilungskammer zum Aufnehmen eines Eingangsvolumens der Probenlösung, sodass die Aufteilungskammer eine Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten zum Aufnehmen von für Nachweisreaktionen verwendbaren Teilvolumina der Probenlösung aufweist; und
Anordnen einer Verdrängungseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina aufzuteilen, relativ zu der Aufteilungskammer.
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Durch Ausführen des Verfahrens kann eine Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems vorteilhaft hergestellt werden. Dabei kann das mikrofluidische System durch Ausführen der Schritte des Verfahrens insbesondere aus Polymersubstraten beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen, Laserstrukturierung etc. erzeugt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A bis 4D Darstellungen von mikrofluidischen Systemen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das mikrofluidische System 100 ist ausgebildet, um eine Probenlösung zu analysieren. Das mikrofluidische System 100 ist beispielsweise als analytisches System, insbesondere für mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme bzw. LoC-Systeme zur Umweltanalytik oder medizinischen Diagnostik einsetzbar bzw. verwendbar.
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Das mikrofluidische System 100 weist eine Aufteilungskammer 110 zum Aufnehmen eines Eingangsvolumens der Probenlösung auf. Dabei entspricht das Eingangsvolumen der Probenlösung maximal einem Innenvolumen oder einem Fassungsvermögen der Aufteilungskammer 110.
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Die Aufteilungskammer 110 weist eine Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten 115 auf. Dabei ist die Aufteilungskammer 110 in die Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten 115 unterteilt. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie darstellungsbedingt sind beispielhaft lediglich vier Teilvolumenabschnitte 115 der Aufteilungskammer 110 gezeigt, wobei ein mikrofluidisches System gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel eine hiervon abweichende Anzahl von Teilvolumenabschnitten 115 aufweisen kann. Die Teilvolumenabschnitte 115 sind hierbei in 1 lediglich zur Veranschaulichung explizit eingezeichnet, denn die Aufteilungskammer 110 ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als eine einheitliche bzw. durchgehende Kammer ausgeformt.
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Die Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten 115 sind ausgebildet, um Teilvolumina der Probenlösung aufzunehmen. Hierbei ist jeder Teilvolumenabschnitt 115 ausgebildet, um ein Teilvolumen der Probenlösung aufzunehmen. Die Teilvolumina der Probenlösung sind dabei für Nachweisreaktionen an der Probenlösung verwendbar.
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Von dem mikrofluidischen System 100 ist in 1 ferner eine Verdrängungseinrichtung 120 dargestellt. Somit weist das mikrofluidische System 100 auch die Verdrängungseinrichtung 120 auf. Die Verdrängungseinrichtung 120 ist ausgebildet, um das Eingangsvolumen der Probenlösung in die Mehrzahl von Teilvolumina der Probenlösung aufzuteilen. In einem aufgeteilten Zustand sind mittels einer Betätigung bzw. Wirkung der Verdrängungseinrichtung 120 die Teilvolumina im Bereich der Teilvolumenabschnitte 115 angeordnet.
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Insbesondere ist die Verdrängungseinrichtung 120 ausgebildet, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina und ein Restvolumen aufzuteilen. Dabei ist die Verdrängungseinrichtung 120 ausgebildet, um eine in dem Restvolumen befindliche Probenlösung in einer ersten Variante aus der Aufteilungskammer 110 ausspülbar bereitzustellen, wie es beispielsweise in den 2A bis 2E sowie 4A bis 4D gezeigt ist, oder in einer zweiten Variante aus der Aufteilungskammer 110 zu verdrängen, wie es beispielsweise in 3 gezeigt ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Aufteilungskammer 110 eine Einbringöffnung 130 zum Einbringen der Probenlösung und optional zumindest eines weiteren Stoffs in die Aufteilungskammer 110 und eine Auslassöffnung 140 zum Auslassen von Stoffen aus der Aufteilungskammer 110 auf. Optional kann die Aufteilungskammer 110 eine Mehrzahl von Auslassöffnungen 140 aufweisen.
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Nachfolgende Ausführungsbeispiele von mikrofluidischen Systemen bzw. Aliquotierstrukturen werden beispielhaft für eine verschachtelte Polymerase-Kettenreaktion bzw. eine sogenannte Nested-PCR beschrieben, sind jedoch nicht beschränkt auf diese molekularbiologische Methode.
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2A zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 2A dargestellten mikrofluidischen System 100 handelt es sich beispielsweise um das mikrofluidische System aus 1, das in 2A in einem anderen Teilausschnitt, detaillierter und/oder in einer konkreten Ausführungsvariante dargestellt ist. Dabei sind von dem mikrofluidischen System 100 in 2A die Aufteilungskammer 110 sowie dieselbe umgebende Abschnitte des mikrofluidischen Systems 100 dargestellt. Anders ausgedrückt zeigt 2A eine Schnittdarstellung der Aufteilungskammer 110 eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß dem in 2A dargestellten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Aufteilungskammer 110 ein rechteckiges Querschnittsprofil auf. Das mikrofluidische System 100 weist beispielhaft lediglich eine auslenkbare, flexible Membran 220 als Verdrängungseinrichtung auf. Die Membran 220 ist hierbei entlang einer Hauptseite der Aufteilungskammer 110 angeordnet. Anders ausgedrückt begrenzt die Membran 220 die Aufteilungskammer 110 auf einer von vier Seiten des in 2A Querschnittsprofils der Aufteilungskammer 110.
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In der Aufteilungskammer 110 sind Reagenzien 250 angeordnet. Dabei ist jeweils eines der Reagenzien 250 in einem der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer 110 angeordnet. In 2A sind somit lediglich beispielhaft vier Pakete bzw. Dosen von Reagenzien 250 in der Aufteilungskammer 110 angeordnet. Dabei sind die Reagenzien 250 an einer der Membran 220 gegenüberliegenden Hauptoberfläche der Aufteilungskammer 110 angeordnet. Optional sind in zumindest einer Teilmenge der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer 110 Reagenzien 250 für Nachweisreaktionen anordenbar oder angeordnet.
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In 2A ist ein Schichtaufbau 260 bzw. Schichtverbund des mikrofluidischen Systems 100 gezeigt, in welchem die Aufteilungskammer 110, die Membran 220 und die Reagenzien 250 angeordnet sind. Der Schichtaufbau 260 weist eine Fügeschicht 262, eine Grundschicht 264 und eine Deckschicht 266 auf. Die Fügeschicht 262, die Grundschicht 264 und die Deckschicht 266 sind beispielsweise Polymersubstrate. In der Grundschicht 264 ist eine Vertiefung ausgeformt, welche der Aufteilungskammer 110 in einem einseitig offenen Zustand entspricht. Die Membran 220 erstreckt sich über die Vertiefung in der Grundschicht 264 hinweg bzw. überspannt die Vertiefung. Somit ist die Aufteilungskammer 110 durch die Grundschicht 264 und die Membran 220 begrenzt. Hierbei ist die Membran 220 zwischen der Grundschicht 264 und der Fügeschicht 262 angeordnet. Die Deckschicht 266 ist an einer von der Membran 220 abgewandten Oberfläche der Fügeschicht 262 angeordnet.
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In der Fügeschicht 262 sind Durchgangsöffnungen bzw. Kanäle 270 ausgeformt. In der Darstellung von 2A sind beispielhaft lediglich vier Kanäle 270 gezeigt. Die Kanäle 270 sind ausgebildet, um ein Medium zum Auslenken der Membran 220 zu leiten. Auch wenn es aus 2A darstellungsbedingt nicht hervorgeht, sind die Kanäle 270 in die Aufteilungskammer 110 mündend ausgeformt. Hierbei ist an die Kanäle 270 von extern ein Druck anlegbar, um das Medium mit Druck zu beaufschlagen, um die Membran 220 auszulenken.
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Auch wenn es in 2A nicht explizit erkennbar ist, so ist die Membran 220 im Bereich der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer 110 mindestens teilflächig unauslenkbar mit einer Oberfläche der Fügeschicht 262 verbunden, die eine Hauptoberfläche der Aufteilungskammer 110 repräsentiert. Ferner ist die Membran 220 außerhalb der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer 110 mindestens teilflächig in Anlage gegen eine der Membran 220 bzw. der Fügeschicht 262 gegenüberliegende Hauptoberfläche der Aufteilungskammer 110 auslenkbar.
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2B zeigt den in 2A dargestellten Teil des mikrofluidischen Systems 100 in einer schematischen Draufsicht. Hierbei veranschaulicht eine Schnittlinie A-A in 2B eine Schnittebene der Schnittdarstellung aus 2A. Von dem mikrofluidischen System 100 sind dabei in 2B die Aufteilungskammer 110, die Einbringöffnung 130, die Auslassöffnung 140, die Reagenzien 250 und die Kanäle 270 gezeigt.
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Lediglich beispielhaft sind in der Aufteilungskammer 110 des mikrofluidischen Systems 100 hierbei zwölf Pakete mit Reagenzien 250 angeordnet, somit weist die Aufteilungskammer 110 beispielhaft zwölf Teilvolumenabschnitte auf. Die Kanäle 270 weisen hierbei Mündungen bzw. Mündungsöffnungen in jedem der Teilvolumenabschnitte auf. Dabei sind die Mündungsöffnungen durch die Membran überdeckt. Die Kanäle 270 weisen an einem von den Mündungsöffnungen abgewandten Ende eine gemeinsame Anschlussöffnung 275 auf. Über die Anschlussöffnung 275 ist ein in die Kanäle 270 einfüllbares Medium mit Druck beaufschlagbar.
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Ferner sind in 2B Auslenkungsabschnitte 280 der Membran dargestellt. In den Auslenkungsabschnitten 280 ist die Membran auslenkbar und außerhalb der Auslenkungsabschnitte 280 ist die Membran mit der Fügeschicht des Schichtaufbaus verbunden und somit unauslenkbar. Die Auslenkungsabschnitte 280 sind hierbei ringförmig und umgeben jeden der Teilvolumenabschnitte in der Aufteilungskammer 110.
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2C zeigt eine schematische Schnittdarstellung des mikrofluidischen Systems 100 aus 2A bzw. 2B in einem befüllten Zustand der Aufteilungskammer 110. Hierbei entspricht eine Schnittebene in 2C der Schnittebene aus 2A und entspricht eine Darstellung in 2C der Darstellung aus 2A mit der Ausnahme, dass ein Innenvolumen der Aufteilungskammer 110 mit dem Eingangsvolumen 290 der Probenlösung befüllt ist.
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2D zeigt eine schematische Schnittdarstellung des mikrofluidischen Systems 100 aus 2C in einem betätigten Zustand der Membran 220. Hierbei ist die Membran 220 in den in 2B dargestellten Auslenkungsabschnitten 280 ausgelenkt. Somit ist das in 2C gezeigte Eingangsvolumen der Probenlösung mittels der Membran 220 in Teilvolumina 292 innerhalb der Teilvolumenabschnitte sowie in ein Restvolumen 294 außerhalb der Teilvolumenabschnitte aufgeteilt. In 2D sind darstellungsbedingt somit vier Teilvolumina 292 gezeigt. Das Restvolumen 294 ist zwischen den Teilvolumenabschnitten sowie außerhalb der Teilvolumenabschnitte angeordnet.
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2E zeigt eine schematische Schnittdarstellung des mikrofluidischen Systems 100 aus 2D in einem teilweise gespülten Zustand. Hierbei ist das in 2D dargestellte Restvolumen durch eine Spüllösung X, beispielsweise Öl oder dergleichen, verdrängt. Somit sind die Teilvolumina 292 in den Teilvolumenabschnitten von der Spüllösung X umgeben, wobei die Teilvolumina 292 bezüglich der Spüllösung X durch die ausgelenkten Auslenkungsabschnitte der Membran 220 abgedichtet sind.
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Anders ausgedrückt zeigen die 2A bis 2E ein Ausführungsbeispiel des mikrofluidischen Systems 100, bei dem an einer von zwei Hauptseiten der Aufteilungskammer 110 bzw. an der Fügeschicht 262 die flexible Membran 220 angebracht ist. In der Fügeschicht 262 sind die Kanäle 270 ausgeformt, mittels derer die Auslenkungsabschnitte 280 der flexiblen Membran 220 gedehnt bzw. ausgelenkt werden können. Bedingt durch eine kreisförmige Verfügung der flexiblen Membran 220 mit der Fügeschicht 262, wobei die Verfügung beispielsweise Konturen der Auslenkungsabschnitte 280 aus 2B entspricht, ist die Membran 220 in dem ausgelenkten Zustand kreisförmig mit der Seite der Grundschicht 264 der Aufteilungskammer 110 in Kontakt bringbar, wie es insbesondere in 2D gezeigt ist. Innerhalb von den Teilvolumenabschnitten entsprechenden Kreisen sind die vorgelagerten Reagenzien 250 angeordnet. Für eine Analyse wird die Probelösung bzw. ein PCR-Reaktionsmix in die Aufteilungskammer 110 eingespült. 2A zeigt eine befüllte Aufteilungskammer 110. Wird an die Kanäle 270 ein Überdruck angelegt, wird die Membran 220 oder werden optional mehrere Teilmembranen in den Auslenkungsabschnitten 280 ausgelenkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Probenlösung komplett bzw. vollflächig von einem Feststoff, nämlichen der Membran 220 und der Grundschicht 264, eingegrenzt. Wie es in 2D gezeigt ist, schließen die entstehenden donutförmigen Auslenkungsabschnitte 280 die Teilvolumina 292 bzw. eine Teilmenge der Probenlösung ein. Bereits in diesem Zustand kann eine Reaktion, beispielsweise eine thermisch ausgelöste Reaktion bei einer PCR, an den Teilvolumina 292 durchgeführt werden. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, zunächst in den Zwischenräumen zwischen den Teilvolumenabschnitten eingeschlossene Flüssigkeit des Restvolumens 294 beispielsweise durch Verdrängen mittels der Spüllösung X, beispielsweise mit Öl zu entfernen. Der Vorteil hierbei ist, dass insbesondere fluoreszierende Stoffe in den Zwischenräumen entfernt werden, die sonst mit einem Auslesevorgang interferieren könnten. Vorteilhaft können somit eine vereinfachte Fluidik und eine verringerte Gefahr von Lufteinschlüssen in der Aufteilungskammer 110 ohne eine lokale Modifikation (hydrophil/hydrophob) von Oberflächen in der Aufteilungskammer 110 erreicht werden.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 3 dargestellten mikrofluidischen System 100 handelt es sich beispielsweise um das mikrofluidische System aus 1, das in 3 in einem anderen Teilausschnitt, detaillierter und/oder in einer konkreten Ausführungsvariante dargestellt ist. Hierbei entspricht das in 3 gezeigte mikrofluidische System 100 dem mikrofluidischen System aus den 2A bis 2E mit der Ausnahme, dass die Membran 220 auf unterschiedliche Weise mit der Fügeschicht 262 verfügt ist und die Kanäle in der Fügeschicht 262 in der Darstellung weggelassen sind. Genauer gesagt ist 3 hierbei 2E ähnlich.
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Anders ausgedrückt zeigt 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Aufteilung bzw. Aliquotierung von Probenlösungen. In 3 sind von dem mikrofluidischen System 100 die Aufteilungskammer 110, die Membran 220, der Schichtaufbau 260, die Fügeschicht 262, die Grundschicht 264, die Deckschicht 266, Teilvolumina 292 und ein Restvolumen 294 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus den 2A bis 2E ist die flexible Membran 220 mit der Fügeschicht 262 in den Bereichen der Teilvolumenabschnitte vollflächig verbunden. Werden die auch in diesem mikrofluidischen System 100 vorhandenen, jedoch aus Darstellungsgründen nicht gezeigten Kanäle mit Druck beaufschlagt, formen sich Kammern zur Aufteilung der Probenlösung in die Teilvolumina 292 aus. Dabei wird mittels der Membran 220 zum einen die unter der vollflächigen Verschweißung bzw. in den Teilvolumenabschnitten befindliche Probenlösung eingeschlossen und zum anderen überschüssige Problemlösung aus dem Restvolumen 294 der Aufteilungskammer 110 verdrängt.
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4A zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht. Bei dem in 4A dargestellten mikrofluidischen System 100 handelt es sich beispielsweise um das mikrofluidische System aus 1, das in 4A in einem anderen Teilausschnitt, detaillierter und/oder in einer konkreten Ausführungsvariante dargestellt ist. Die Darstellung in 4A ist der Darstellung aus 2B ähnlich.
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Von dem mikrofluidischen System 100 sind in 4A eine Aufteilungskammer 110, eine Einbringöffnung 130, eine Auslassöffnung 140, eine Mehrzahl von beispielsweise neun Portionen bzw. Dosen von Reagenzien 250 und eine Mehrzahl von beispielsweise zwölf Säulen 420, wobei die Säulen 420 als die Verdrängungseinrichtung fungieren. Positionen der Reagenzien 250 entsprechen hierbei Positionen der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer 110. Hierbei ist jede Portion der Reagenzien 250 zwischen zwei Säulen 420 angeordnet. Ferner ist in 4A eine Schnittlinie B-B eingezeichnet, die eine Schnittebene durch das mikrofluidische System 100 für 4B veranschaulicht.
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Das mikrofluidische System 100 umfasst somit anders ausgedrückt einen ersten mikrofluidischen Kanal bzw. die Einbringöffnung 130, durch den die Aufteilungskammer 110 mit einer Probenlösung zur Verdrängung von Luft und Benetzung der Teilvolumenabschnitte befüllbar ist. Überschüssige Probenlösung ist über einen zweiten mikrofluidischen Kanal bzw. die Auslassöffnung 140 abführbar. Die Aufteilungskammer 110 weist die Mehrzahl von Säulen 420 in einer regelmäßigen Anordnung auf. Ein Flüssigkeitsfilm in einem befüllten Zustand der Aufteilungskammer 110 ist somit an definierten Stellen von den Säulen 420 durchbrochen. In Zwischenräumen bzw. Lücken zwischen den Säulen 420 sind die Reagenzien 250 vorgelagert.
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4B zeigt eine schematische Schnittdarstellung des mikrofluidischen Systems 100 aus 4A. Die Aufteilungskammer 110 ist durch die Säulen 420 in die Teilvolumenabschnitte 115 unterteilt. In den Teilvolumenabschnitten 115 sind die Reagenzien 250 angeordnet. Auch ist in 4B ein Schichtaufbau 260 des mikrofluidischen Systems 100 gezeigt. Der Schichtaufbau 260 weist eine Fügeschicht 262 und eine Grundschicht 264 auf. Hierbei ist die Aufteilungskammer 110 als ein mit der Fügeschicht 262 abgedeckter Vertiefungsabschnitt der Grundschicht 264 ausgeformt.
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4C zeigt das mikrofluidische System 100 aus 4A bzw. 4B in einem befüllten Zustand der Aufteilungskammer 110. Hierbei ist die Aufteilungskammer 110 mit einem Eingangsvolumen 290 der Probenlösung befüllt.
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4D zeigt das mikrofluidische System 100 aus 4A bzw. 4B bzw. 4C in einem teilweise gespülten Zustand. Hierbei ist ein Teil des in 4C dargestellten Eingangsvolumens durch eine Spüllösung X, beispielsweise Öl oder dergleichen, verdrängt. Somit sind die Teilvolumina 292 in den Teilvolumenabschnitten von den Säulen 420 und der Spüllösung X umgeben.
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Anders ausgedrückt zeigt 4D die Aufteilungskammer 110 als PCR-Kammer in einem für eine PCR-Reaktion bereitgestellten Zustand. Wenn die Aufteilungskammer 110 wie in 4C gezeigt mit einer Probenlösung bzw. einem PCR-Reaktionsmix mit der Probenlösung befüllt ist, wird im direkten Anschluss daran beispielsweise Öl als Spüllösung X durch die Einbringöffnung 130 in die Aufteilungskammer 110 eingeleitet. Dadurch wird ein nicht zwischen den Säulen 420 befindlicher Teil der Probenlösung über die Auslassöffnung 140 aus der Aufteilungskammer 110 entfernt. Teilmengen der Probenlösung können aufgrund von erhöhter Oberflächenwechselwirkung in Teilvolumenabschnitten fixiert werden. Unterstützt werden kann dies durch eine hydrophile Beschichtung der Teilvolumenabschnitte und durch eine Hydrophobisierung der umliegenden bzw. außerhalb der Teilvolumenabschnitte angeordneten Bereiche der Aufteilungskammer 110. Anders ausgedrückt sind die Teilvolumina 292 der Probenlösung an vier Seiten von einem Feststoff und an zwei Seiten von Spüllösung X, beispielsweise Öl begrenzt.
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In dem in 4A bis 4D gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Aufteilungskammer 110 zum Fördern des Aufteilens des Eingangsvolumens 290 in die Teilvolumina 292 die Säulen 420 als die Verdrängungseinrichtung auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsbeispiel kann die Aufteilungskammer 110 zusätzlich oder alternativ zu Säulen auch hydrophile Teilabschnitte und/oder hydrophobe Teilabschnitte als Verdrängungseinrichtung aufweisen.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren 500 handelt es sich um ein Verfahren zum Analysieren einer Probenlösung. Das Verfahren 500 ist in Verbindung mit bzw. unter Verwendung von einem mikrofluidischen System wie einem der mikrofluidischen Systeme aus den 1 bis 4D ausführbar.
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Das Verfahren 500 weist einen Schritt 510 des Bereitstellens eines mikrofluidischen Systems auf. Bei dem mikrofluidischen System handelt es sich somit beispielsweise um eines der mikrofluidischen Systeme aus den 1 bis 4D. In einem bezüglich des Schrittes 510 des Bereitstellens nachfolgend ausführbaren Schritt 520 des Einbringens wird ein Eingangsvolumen der Probenlösung in die Aufteilungskammer des mikrofluidischen Systems eingebracht. In einem auf den Schritt 520 des Einbringens folgenden Schritt 530 des Betätigens wird die Verdrängungseinrichtung betätigt, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina aufzuteilen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 500 ferner einen nach dem Schritt 530 des Betätigens ausführbaren Schritt 540 des Durchführens von Nachweisreaktionen an den Teilvolumina der Probenlösung in den Teilvolumenabschnitten mittels in zumindest einer Teilmenge der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer angeordneter Reagenzien auf. Ferner weist das Verfahren 500 dabei auch einen Schritt 550 des Auswertens von Ergebnissen der Nachweisreaktionen auf. Der Schritt 550 des Auswertens wird hierbei während des Schrittes 540 des Durchführens von Nachweisreaktionen und zusätzlich oder alternativ nach dem Schritt 540 des Durchführens von Nachweisreaktionen ausgeführt.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren 600 handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems zum Analysieren einer Probenlösung. Durch Ausführen des Verfahrens 600 ist ein mikrofluidisches System wie eines der mikrofluidischen Systeme aus den 1 bis 4D herstellbar.
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Das Verfahren 600 weist einen Schritt 610 des Ausformens einer Aufteilungskammer zum Aufnehmen eines Eingangsvolumens der Probenlösung auf. Dabei wird der Schritt 610 des Ausformens so ausgeführt, dass die Aufteilungskammer eine Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten zum Aufnehmen von für Nachweisreaktionen verwendbaren Teilvolumina der Probenlösung aufweist. Anders ausgedrückt wird im Schritt 610 des Ausformens die Aufteilungskammer mit einer Mehrzahl von Teilvolumenabschnitten ausgeformt. Ferner weist das Verfahren 600 einen Schritt 620 des Anordnens einer Verdrängungseinrichtung, die ausgebildet ist, um das Eingangsvolumen in die Mehrzahl von Teilvolumina aufzuteilen, relativ zu der Aufteilungskammer auf.
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Das Verfahren 600 zum Herstellen kann insbesondere unter Verwendung von Polymersubstraten für das mikrofluidische System ausgeführt werden. Strukturen in den Polymersubstraten können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen oder Laserstrukturierung im Rahmen des Verfahrens 600 erzeugt werden. Materialbeispiele umfassen beispielsweise für solche Polymersubstrate hierbei Thermoplaste, z. B. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC oder dergleichen, für eine Membran bzw. Polymermembran als Verdrängungseinrichtung beispielsweise Elastomer, thermoplastisches Elastomer TPU, TPS, Thermoplaste, Heißklebefolien, Siegelfolien für Mikrotiterplatten oder dergleichen, für Oberflächenmodifikationen beispielsweise Zucker, z. B. Saccharose, Xanthan etc., Polymere, z. B. Alkane, Alkene, Alkine, d. h. Paraffine und Öle, oder Polyethylenglycol oder Detergenzien wie Tween, Natriumdodecylsulfat oder dergleichen. Beispielhafte Abmessungen von Ausführungsbeispielen eines mikrofluidischen Systems, das mittels des Verfahrens 600 herstellbar ist, lauten hinsichtlich einer Dicke eines Polymersubstrates beispielsweise 0,5 bis 5 Millimeter, hinsichtlich eines Kanaldurchmessers in Polymersubstraten beispielsweise 10 Mikrometer bis 3 Millimeter, hinsichtlich einer Dicke der Polymermembran beispielsweise 5 bis 500 Mikrometer und hinsichtlich eines Volumens von Kavitäten bzw. Kammern in den Polymersubstraten beispielsweise 1 bis 1000 Kubikmillimeter.
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Optional kann eines der Verfahren 500 oder 600 aus einer der 5 bzw. 6 auch einen Schritt des Anordnens von Reagenzien für die Nachweisreaktionen in zumindest einer Teilmenge der Teilvolumenabschnitte der Aufteilungskammer aufweisen. Bei den Reagenzien handelt es sich beispielsweise um PCR-Primer und Sonden für einen spezifischen Nachweis von DNA-Fragmenten oder dergleichen. Die Reagenzien können so vorgelagert sein, dass diese erst nach eine bestimmten Zeit bzw. zeitgesteuert oder bei einer bestimmten Temperatur bzw. temperaturgesteuert von der Probenlösung aufgenommen bzw. rehydriert werden. Für die Vorlagerung der Reagenzien können unter anderem Xanthan, Trehalose oder dergleichen verwendet werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035270 A1 [0002]
