DE102017204002A1 - Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit - Google Patents

Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit Download PDF

Info

Publication number
DE102017204002A1
DE102017204002A1 DE102017204002.5A DE102017204002A DE102017204002A1 DE 102017204002 A1 DE102017204002 A1 DE 102017204002A1 DE 102017204002 A DE102017204002 A DE 102017204002A DE 102017204002 A1 DE102017204002 A1 DE 102017204002A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fluid
liquid
chamber
downstream
fluidic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102017204002.5A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102017204002B4 (de
Inventor
Ingmar Schwarz
Nils Paust
Steffen Zehnle
Mark Keller
Tobias Hutzenlaub
Frank Schwemmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to DE102017204002.5A priority Critical patent/DE102017204002B4/de
Application filed by Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority to ES18708690T priority patent/ES2864739T3/es
Priority to EP18708690.5A priority patent/EP3592463B1/de
Priority to CN201880031223.0A priority patent/CN110650801B/zh
Priority to PL18708690T priority patent/PL3592463T3/pl
Priority to PCT/EP2018/055344 priority patent/WO2018162413A1/de
Publication of DE102017204002A1 publication Critical patent/DE102017204002A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102017204002B4 publication Critical patent/DE102017204002B4/de
Priority to US16/562,241 priority patent/US11141728B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0605—Metering of fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0684—Venting, avoiding backpressure, avoid gas bubbles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0803—Disc shape
    • B01L2300/0806—Standardised forms, e.g. compact disc [CD] format
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/087—Multiple sequential chambers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0877—Flow chambers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/14—Means for pressure control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0409—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces centrifugal forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • B01L2400/049—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics vacuum

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

Ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich, in den eine Flüssigkeit einbringbar ist, in nachgeschaltete Fluidikstrukturen weist mindestens zwei Fluidpfade, die den Flüssigkeits-Haltebereich mit den nachgeschalteten Fluidikstrukturen fluidisch verbinden, auf. Einer der beiden Fluidpfade weist einen Siphonkanal auf. Die nachgeschalteten Fluidikstrukturen sind nicht entlüftet oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet, so dass , wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht ist, in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen ein eingeschlossenes Gasvolumen entsteht Durch Einstellen des Verhältnisses eines durch eine Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldrucks und eines in dem Gasvolumen herrschenden pneumatischen Drucks kann die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten oder über den Siphonkanal in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert werden, wobei eine Entlüftung über den anderen der Fluidpfad stattfindet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Vorrichtungen und Verfahren zum zentrifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüssigkeitshaltebereich in nachfolgende Fluidikstrukturen unter Ausnutzung eines Verhältnisses von Zentrifugaldruck zu pneumatischem Druck.
  • Einleitung
  • Die zentrifugale Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliter-Bereich in rotierenden Systemen. Solche Systeme sind meist Polymer-Einwegkartuschen, die in oder anstelle von Zentrifugenrotoren verwendet werden, mit der Absicht, Laborprozesse zu automatisieren. Dabei können Standardlaborprozesse, wie Pipettieren, Zentrifugieren, Mischen oder Aliquotieren in einer mikrofluidischen Kartusche implementiert werden. Zu diesem Zweck beinhalten die Kartuschen Kanäle für die Fluidführung, sowie Kammern für das Auffangen von Flüssigkeiten. Allgemein können solche Strukturen, die zur Handhabung von Fluiden ausgelegt sind, als Fluidikstrukturen bezeichnet werden. Allgemein können solche Kartuschen als Fluidikmodule bezeichnet werden.
  • Die Kartuschen werden mit einer vordefinierten Abfolge von Drehfrequenzen, dem Frequenzprotokoll, beaufschlagt, so dass die in den Kartuschen befindlichen Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft bewegt werden können. Anwendung findet die zentrifugale Mikrofluidik hauptsächlich in der Laboranalytik und in der mobilen Diagnostik. Die bislang häufigste Ausführung von Kartuschen ist eine zentrifugal-mikrofluidische Scheibe, die in speziellen Prozessiergeräten eingesetzt wird und unter den Bezeichnungen „Lab-on-a-disk“, „LabDisk“, „Lab-on-CD“, etc. bekannt ist. Andere Formate, wie z.B. mikrofluidische Zentrifugenröhrchen, die unter der Bezeichnung „LabTube“ bekannt sind, können in Rotoren bereits bestehender Standardlaborgeräte eingesetzt werden.
  • Für die Verwendung fluidischer Grundoperation in einem möglichen Produkt ist die Robustheit und Einfachheit der Handhabung des Prozesses von höchster Bedeutung. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Grundoperation monolithisch realisiert ist, so dass keine zusätzlichen Komponenten oder Materialien, die durch Materialkosten oder zusätzliche Aufbau- und Verbindungstechnik (Assemblierung) die Kosten der Kartusche wesentlich steigern würden, erforderlich sind.
  • Im Besonderen wird das Schalten von Flüssigkeiten als fundamentale Operation für die Ausführung von Prozessketten benötigt, um nacheinander ablaufende fluidische Prozessierungsschritte voneinander zu trennen. Für die Automatisierung von Laborprozessen in einem zentrifugal-mikrofluidischen Rotor sind Schaltprozesse somit unabdingbar.
  • Ein Beispiel ist das Abmessen von Flüssigkeitsvolumina für die Erzeugung von Aliquots, bei denen nach einem Messschritt die Flüssigkeiten zu nachfolgenden Prozessschritten weitergeschaltet werden. Weitere Beispiele sind Inkubations- und Mischprozesse bei denen die Inkubationszeit oder der Abschluss des Mischprozesses vor dem Weiterschalten erreicht sein muss.
  • Eine wesentliche Herausforderung während der Entwicklung von Kartuschen zur zentrifugalen mikrofluidischen Fluidhandhabung ist die Anpassung der beinhalteten Strukturen an die Eigenschaften der zu prozessierenden Fluide sowie an die Wechselwirkungen der Fluide mit den verwendeten Kartuschenmaterialien. Daraus ergibt sich insbesondere ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, die weitgehend von den Eigenschaften der Fluide und deren Wechselwirkung mit dem Kartuschenmaterial unabhängig sind. Dies umfasst insbesondere folgende Eigenschaften der Fluide und Kartuschenmaterialien: die Oberflächenspannung der Fluide, deren Kontaktwinkel zu den verwendeten Kartuschenmaterialien, die Viskositäten der Fluide und die chemische Zusammensetzung der Fluide.
  • Eine weitere Herausforderung für die Entwicklung von mikrofluidischen Kartuschen liegt in den Fertigungsanforderungen. Strukturen, die hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen, führen zu höheren Kosten bei der Fertigung und einem größeren Risiko für den Ausfall der Kartuschen während der Prozessierung. Daraus ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, die hinsichtlich ihrer Funktion gegen fertigungsbedingte Abweichungen robust sind. Weiterhin ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen, die durch etablierte Fertigungsverfahren - welche hohe Fertigungspräzisionen erlauben - leicht fertigbar sind. Insbesondere für die Fertigungsverfahren Spritzguss und Spritzprägen ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, die, im Gegensatz z.B. von sogenannten Kapillarventilen, ohne scharfkantige Geometrieübergänge auskommen.
  • Im Bereich der zentrifugalen Mikrofluidik wirkt ein Prozessierungsprotokoll im Allgemeinen auf alle Fluidikstrukturen einer Kartusche gleichzeitig ein. Durch die zunehmende Integration von nacheinander oder parallel ablaufenden Prozessierungsschritten ergeben sich dadurch im Allgemeinen zunehmend Einschränkungen für die zulässigen Prozessierungsprotokolle. Um verschiedene fluidische Operationen dennoch auf einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche integrieren zu können, ergibt sich ein Bedarf nach Strukturen und Verfahren zum Schalten von Fluiden, für die die exakten Bedingungen für das Auftreten des Schaltvorgangs durch geeignete Ausgestaltung in einem weiten Rahmen eingestellt werden können.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Arten zum Schalten von Flüssigkeiten auf zentrifugalen mikrofluidischen Plattformen bekannt. Eine Übersicht über aktive und passive, sowie monolithische und nicht monolithische Strukturen und Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten ist bei O. Strohmeier et al., „Centrifugal microfluidic platforms: Advanced unit operations and applications“, Royal Society of Chemistry 2015, Chem. Soc. Rev., zu finden. Im Folgenden wird weiterer Stand der Technik dargelegt, der sich auf passive monolithische Strukturen und zugehörige Verfahren bezieht, deren Schaltprinzip unter anderem auf einem Wechselspiel zwischen zentrifugal induzierten Drücken und pneumatischen Drücken basiert.
  • S. Zehnle et. al. „Pneumatic siphon valving and switching in centrifugal microfluidics controlled by rotational frequency or rotational acceleration", Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (2015) 19, Seiten 1259 - 1269, beschreiben mehrere Strukturen und zugehörige Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten auf einer zentrifugal mikrofluidischen Platform. Dabei wird in einem ersten Unterdruckventil Flüssigkeit zentrifugal aus einer ersten, nicht entlüfteten Kammer getrieben, so dass in der ersten Kammer befindliches Gas expandiert und ein Unterdruck in der ersten Kammer entsteht. Die Flüssigkeit wird durch einen Auslasskanal, der an einem radial äußeren Ende in eine zweite, entlüftete Kammer mündet, in die zweite Kammer getrieben. Da von dem Auslasskanal auch ein Siphon abzweigt, dessen Ende entlüftet ist, wird ein Teil der Flüssigkeit ebenfalls in den Siphon getrieben. Bei konstanter Drehfrequenz stellt sich ein Gleichgewicht der Füllstände ein, so dass der Füllstand in der zweiten Kammer dem Füllstand im Siphon gleicht. Mit steigender Drehfrequenz steigen beide Füllstande. Überschreitet der Füllstand im Siphon den Siphonscheitel, so wird die Flüssigkeit aus der ersten und der zweiten Kammer durch den Siphon getrieben und kann in einer dritten, entlüfteten Kammer aufgefangen werden. In einer zweiten Konfiguration des beschrieben Unterdruckventils wird gezeigt, dass bei entsprechender Dimensionierung der Strömungswiderstände zwischen den jeweiligen Kammern der Siphonscheitel durch hohe Drehbeschleunigung erreicht werden kann, nicht aber bei niedriger Drehbeschleunigung. Entsprechende Ventilfunktionen sind auch in der DE 10 2013 215 002 B3 beschrieben.
  • In der genannten Schrift von S. Zehnle et.al. ist ferner eine weitere Ventilschaltung beschrieben, bei der Flüssigkeit zentrifugal von einer ersten Kammer durch einen Auslasskanal in eine zweite Kammer und gleichzeitig in einen abzweigenden Siphon getrieben wird. Da bei dieser weiteren Ventilschaltung die erste Kammer entlüftet ist und die zweite Kammer nicht entlüftet ist, wird beim Treiben der Flüssigkeit in die zweite Kammer ein Gasvolumen in der zweiten Kammer eingeschlossen und komprimiert. Dieses Gasvolumen expandiert bei Verringerung der Drehzahl und treibt Flüssigkeit in den Siphon. Bei hoher Verzögerungsrate der Drehzahl und entsprechender Dimensionierung der Strömungswiderstände wird genügend Flüssigkeit in den Siphon getrieben, um diesen komplett zu füllen, so dass die Flüssigkeit aus der ersten und zweiten Kammer durch den Siphon getrieben und in einer dritten Kammer aufgefangen werden kann. Diese Ventilfunktion ist auch in der EP 2 817 519 B1 beschrieben.
  • Aus der DE 10 2013 203 293 B4 ist es ferner bekannt, dass eine solche Ventilschaltung, die oben als weitere Ventilschaltung bezeichnet ist, wahlweise auch mit einem zweiten Siphon versehen werden kann, um die Flüssigkeit, abhängig von der Verzögerungsrate der Drehzahl, durch einen oder durch beide Siphons zu leiten.
  • Allen in der genannten Schrift von S. Zehnle beschriebenen Ventilschaltungen ist gemeinsam, dass das Ende des Siphons, durch den die Flüssigkeit getrieben wird, entlüftet ist. Somit ist auch die dritte Kammer, die lediglich als Auffangkammer dient, entlüftet und nicht mit einem weiteren fluidischen Element gekoppelt. Sie verfügt über die Funktion als Auffangkammer hinaus über keine weiteren fluidischen Funktionen und kann durch keine Art der Dimensionierung die beschriebenen Ventilfunktionen beeinflussen.
  • Bei D. Mark et.al., „Aliquoting on the centrifugal microfluidic platform based on centrifugo-pneumatic valves", Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (2011) 10, Seiten 1279 - 1288, wird eine Struktur zum Aliquotieren von Flüssigkeiten beschrieben, bei der Flüssigkeit durch einen Zuführungskanal sequentiell in eine Reihe von Messkanälen fließt, in denen die Flüssigkeit während eines Aliquotiervorgangs durch sogenannte zentrifugo-pneumatische Ventile gehalten wird. Nach Abschluss des Aliquotiervorgangs werden die zentrifugo-pneumatischen Ventile zwischen den Messkanälen und mit den Messkanälen verbundenen, radial weiter außen liegenden Kammern durch Erhöhen der Rotationsfrequenz geschaltet, und die Flüssigkeiten jeweils in die radial weiter außen liegenden Kammern transferiert. Das Funktionsprinzip der beschriebenen zentrifugo-pneumatischen Ventile besteht aus zwei sich ergänzenden Effekten. Der erste Effekt ist, dass die Flüssigkeit beim Befüllen des jeweiligen Messkanals den Verbindungskanal zwischen Messkanal und nachfolgender nicht belüfteter Zielkammer verschließt und dadurch der zentrifugal induzierte Transfer von Flüssigkeit aus dem Messfinger in die Zielkammer zu einer Kompression des darin vorhandenen Gases führt. Der dadurch entstehende pneumatische Überdruck in der Zielkammer wirkt einem Weiterfließen der Flüssigkeit in die Zielkammer entgegen. Der zweite Effekt ist, dass der Verbindungskanal zwischen Messkanal und Zielkammer an der Öffnung zur Zielkammer ein Kapillarventil darstellt, das der Weiterschaltung der Flüssigkeit in die Zielkammer entgegenwirkt. Die Summe aus beiden Effekten ergibt das Funktionsprinzip des zentrifugo-pneumatischen Ventils. Durch Erhöhung der Rotationsfrequenz lassen sich beide Effekte überwinden, so dass die Flüssigkeit in die Zielkammer transferiert wird. Entsprechende zentrifugo-pneumatische Ventile sind in der DE 10 2008 003 979 B3 sowie bei D. Mark, „Centrifugo-pneumatic valve for metering of highly wetting liquids on centrifugal microfluidic patforms", Lab Chip, 2009, 9, S. 3599-3603, beschrieben.
  • Solche zentrifugal-pneumatischen Ventile erlauben nur die Kompression eines durch den Verbindungskanal zwischen Messkanal und Zielstruktur gegebenen geringen Gasvolumens, bevor Flüssigkeit in die Zielkammer gelangt. Dadurch ist die Schaltfrequenz strukturbedingt auf geringe Frequenzen beschränkt. Gleichzeitig besteht eine Abhängigkeit der Schaltfrequenz von den Flüssigkeitseigenschaften, da der Kapillarventileffekt, der für das zentrifugo-pneumatische Ventil eine Rolle spielt, von der Oberflächenspannung und den Kontaktwinkeln zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial abhängt. Weiterhin ergibt sich gegebenenfalls aus dem beschriebenen Kapillarventil-Anteil des zentrifugo-pneumatischen Ventils die Anforderung eines scharfkantigen Übergangs des Verbindungskanals zur Zielkammer, was mit Zusatzaufwand für die Fertigung einhergeht.
  • F. Schwemmer et.al., „Centrifugo-pneumatic multi-liquid aliquoting - parallel aliquoting and combination of multiple liquids in centrifugal microfluidics", Royal Society of Chemistry 2015, Lab Chip, 2015, 15, Seiten 3250 - 3258, beschreiben Strukturen, die aus einem Zulaufkanal mit hohem fluidischem Widerstand, einer Messkammer, einer über einen Verbindungskanal an die Messkammer angeschlossenen Druckkammer und einem an die Messkammer angeschlossenen Auslasskanal mit geringem fluidischem Widerstand bestehen. Die Strukturen erlauben das Abmessen und nachfolgende Weiterschalten von Flüssigkeitsvolumen. Der Ablauf des Mess- und Schaltvorganges ist dabei wie folgt: Zunächst wird die abzumessende Flüssigkeit bei hoher Rotationsfrequenz durch den Einlasskanal in die Messkammer geleitet, bis diese komplett befüllt ist. Danach befüllt sich der radial innen angeschlossene Verbindungskanal zur Druckkammer und überschüssige Flüssigkeit wird in die Druckkammer geleitet, welche für diese eine Falle darstellt, so dass die Flüssigkeit die Druckkammer nicht mehr verlassen kann. Das vom Zeitpunkt des Eintritts der Flüssigkeit in die Messkammer an verdrängte Gasvolumen in der Messkammer und der Druckkammer führt zu einem pneumatischen Druckanstieg in der Druckkammer. Nach Abschluss der Befüllung der Struktur durch den Einlasskanal wird in einem zweiten Schritt die Flüssigkeit durch Verringerung der Rotationsfrequenz in nachfolgende fluidische Strukturen weitergeschaltet. Dies wird erreicht, da der Zentrifugaldruck im Auslasskanal unter den pneumatischen Überdruck in der Druckkammer fällt und daher die Flüssigkeit vom pneumatischen Überdruck und anderen auftretenden Drücken im Wesentlichen in den Auslasskanal transferiert wird. Durch die gewählten fluidischen Widerstände wird sichergestellt, dass der Transfer im Wesentlichen in den Auslasskanal und nicht zurück in den Einlasskanal stattfindet. Die Strukturen können dabei einen Siphon besitzen, der während eines Messschritts dafür sorgt, dass die Flüssigkeit noch nicht in eine Sammelkammer weitergeschaltet wird. Bei Strukturen, bei denen die Sammelkammer radial weiter innen liegt als die Messkammer, kann der Siphon entfallen. Ein entsprechendes Aliquotieren ist auch in der WO 2015/049112 A1 beschrieben.
  • Aufgrund des Schaltprinzips ist ein solches zentrifugal-pneumatisches Aliquotieren nur für Prozessketten geeignet, bei denen durch Verringerung der Rotationsfrequenz geschaltet werden kann oder soll. Darüber hinaus muss eine minimale Abbremsgeschwindigkeit erreicht werden, um die Flüssigkeit in ein Zielvolumen zu transferieren, wodurch sich Einschränkungen bei den verwendbaren Prozessierungsgeräten ergeben. Falls durch Erhöhung der Rotationsfrequenz geschaltet werden soll, da Prozesse vor dem Schalten bei geringer Rotationsfrequenz ablaufen müssen, kann das zentrifugal-pneumatische Aliquotieren ebenfalls nicht eingesetzt werden. Weiterhin wird für das zentrifugal-pneumatische Aliquotieren zusätzlicher Platz für die Druckkammer benötigt, der gegebenenfalls für die Einbringung von Strukturen für andere Operationen auf der Kartusche verloren geht. Der Bedarf nach starken Unterschieden in den fluidischen Widerständen zwischen Einlass- und Auslasskanälen führt zu zusätzlichen Anforderungen an die Fertigung, da hohe fluidische Widerstände durch geringe Kanalquerschnitte erreicht werden, die dadurch hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen stellen.
  • Wisam Al-Faqheri et. al., „Development of a Passive Liquid Valve (PLV) Utilizing a Pressure Equilibrium Phenomenon on the Centrifugal Microfluidic Platform", Sensors 2015, 15, Seiten 4658 - 4676, beschreiben ein Schalten von Flüssigkeit abhängig von einem auf eine Flüssigkeit in einer Einlasskammer wirkenden Zentrifugaldruck, einem auf die Flüssigkeit in der Einlasskammer wirkenden Kapillardruck und einem auf eine Flüssigkeit in einer Entlüftungskammer wirkenden Zentrifugaldruck. Zwischen den Flüssigkeiten in der Einlasskammer und der Entlüftungskammer ist Luft eingeschlossen. Durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit wird ein in der Einlasskammer erzeugter Unterdruck oder ein in der Entlüftungskammer erzeugter Überdruck überwunden, um dadurch Flüssigkeit aus der Einlasskammer durch einen Fluidkanal in eine Zielkammer zu befördern.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeiten, das monolithisch integrierbar und leicht fertigbar, weitgehend flüssigkeits- und materialeigenschaftsunabhängig und auf einen weiten Bereich von Prozessierungsbedingungen anpassbar ist, sowie Vorrichtungen mit einem solchen Fluidikmodul und Verfahren, die ein solches Fluidikmodul verwenden, zu schaffen.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren zum Zurückhalten und gezielten Schalten von Flüssigkeiten in zentrifugal-mikrofluidischen Kartuschen.
  • Ausführungsbeispiele schaffen ein Fluidikmodul zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen, mit folgenden Merkmalen:
    • einem Flüssigkeits-Haltebereich, in den eine Flüssigkeit einbringbar ist,
    • mindestens zwei Fluidpfaden, die den Flüssigkeits-Haltebereich mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen fluidisch verbinden,
    • wobei mindestens ein erster Fluidpfad der beiden Fluidpfade einen Siphonkanal aufweist, wobei ein Siphonscheitel des Siphonkanals radial innerhalb einer radial äußersten Position des Flüssigkeits-Haltebereichs liegt,
    • wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen nicht entlüftet sind oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet sind, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht ist, so dass in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird, und durch ein Verhältnis eines durch eine Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldrucks und eines in dem Gasvolumen herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt,
    • wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass es auf einer zentrifugal mikrofluidischen Plattform möglich ist, unter Verwendung entsprechender Fluidikstrukturen auf eine Befüllung eines Flüssigkeits-Haltebereichs, die zentrifugal induziert sein kann, hin, einen pneumatischen Differenzdruck zum Umgebungsdruck in nachgeschalteten (nachfolgenden) Fluidikstrukturen, sowie den Verbindungsfluidpfaden zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachfolgenden Fluidikstrukturen, zu erzeugen, durch welchen die Flüssigkeit unter geeigneten Prozessierungsbedingungen in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten werden kann, bis durch eine geeignete Veränderung der Prozessierungsbedingungen induziert die Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen weitertransferiert werden kann. Während dieses Flüssigkeitstransfers in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen durch einen der Fluidpfade kann eine Entlüftung der nachgeschalteten Fluidikstrukturen durch den anderen der Fluidpfade stattfinden. Durch entsprechende Prozessierungsbedingungen, beispielsweise Rotationsgeschwindigkeit und/oder Temperatur, kann dabei das Verhältnis zwischen pneumatischem Druck und Zentrifugaldruck eingestellt bzw. verändert werden, um die beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen.
  • Ausführungsbeispiele basieren weiterhin auf der Erkenntnis, dass während eines z.B. zentrifugal induzierten Befüllvorgangs des Flüssigkeits-Haltebereichs Gas durch die Verbindungsfluidpfade zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen verdrängt werden kann, und dass weiterhin das verdrängte Gasvolumen, lediglich durch das Flüssigkeitsvolumen beschränkt, durch geeignete Ausgestaltung der Verbindungsfluidpfade beliebig gewählt werden kann, wodurch sich die Prozessierungsbedingungen, unter denen die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitshaltebereich gehalten wird, ebenso wie die Prozessierungsbedingungen, unter denen die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen weitergeschaltet wird, in weitem Rahmen und weitgehend unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften oder Kartuschenmaterialeigenschaften bestimmen lassen.
  • Bei Ausführungsbeispielen ist die Flüssigkeit durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldruck über einen radial abfallenden Einlasskanal in eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs einbringbar. Dadurch kann durch die beim Einbringen der Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich verwendete Rotation das Verhältnis zwischen Zentrifugaldruck und pneumatischem Druck erreicht werden, durch das verhindert wird, dass Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt. Bei Ausführungsbeispielen kann der Einlasskanal ferner mit einer vorgeschalteten Fluidkammer verbunden sein.
  • Bei Ausführungsbeispielen ist ein zweiter Fluidpfad der beiden Fluidpfade ein Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, der von der Flüssigkeit verschlossen ist, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht ist. Somit ist es möglich, gleichzeitig mit dem Einbringen eines Flüssigkeitsvolumens in den Flüssigkeitshaltebereich einen Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verschließen, so dass keine separaten Mittel hierfür erforderlich sind.
  • Bei Ausführungsbeispielen mündet der erste Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich oder an einem radial äußeren Ende in den Flüssigkeits-Haltebereich, so dass der Flüssigkeits-Haltebereich zumindest bis zu dem Bereich, in dem der erste Fluidpfad in den Flüssigkeits-Haltebereich mündet, über den ersten Fluidpfad entleerbar ist. Dadurch ist es möglich, einen großen Teil der Flüssigkeit oder die gesamte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich zu entleeren.
  • Bei Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer auf, wobei der erste Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer oder an einem radial äußeren Ende der ersten Fluidkammer in die erste Fluidkammer mündet. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die erste Fluidkammer nicht entlüftet sein oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet sein, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird (ist), so dass ein in die erste Fluidkammer und die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird (ist).
  • Bei Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer und eine zweite Fluidkammer auf, in die durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls bewirkten Zentrifugaldruck eine Flüssigkeit einbringbar ist, wobei der erste Fluidpfad in die erste Fluidkammer und der zweite Fluidpfad in die zweite Fluidkammer mündet, und wobei der zweite Fluidpfad durch eine in die zweite Fluidkammer eingebrachte Flüssigkeit verschließbar ist. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer über einen Verbindungskanal fluidisch miteinander verbunden sein, dessen Mündung in die erste Fluidkammer radial weiter innen liegt als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer, so dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer überläuft, wenn der Füllstand der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer die Mündung erreicht, und den in die zweite Fluidkammer mündenden zweiten Fluidpfad verschließt. Solche Ausführungsbeispiele können ermöglichen, dass zunächst Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer gehalten wird und erst durch Zugabe weiterer Flüssigkeit, bei der es sich um eine von der ersten Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeit handeln kann, in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen geschaltet wird.
  • Bei Ausführungsbeispielen weist der zweite Fluidpfad einen Siphonkanal auf. Dies ermöglicht eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Flüssigkeits-Haltebereich sowie eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Prozessierungsbedingungen, da dadurch verhindert werden kann, dass Flüssigkeit über den zweiten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt. Beispielsweise kann bei solchen Ausführungsbeispielen der zweite Fluidpfad in einem radial äußeren Bereich des Flüssigkeits-Haltebereichs in den Flüssigkeits-Haltebereich münden. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann ein Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads radial weiter innen liegen als ein Scheitelpunkt des Siphonkanals des ersten Fluidpfads.
  • Bei Ausführungsbeispielen weist der zweite Fluidpfad einen Siphonkanal auf und eine Fluidzwischenkammer ist in dem zweiten Fluidpfad zwischen dem Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads und der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Flüssigkeits-Haltebereich angeordnet, wobei die Fluidzwischenkammer zumindest teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt wird, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird. Die Fluidzwischenkammer kann ein kleineres Volumen aufweisen als eine erste Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs. Bei Ausführungsbeispielen befindet sich ein radial äußeres Ende der Fluidzwischenkammer radial außerhalb des Siphonscheitels des ersten Fluidpfads. Die erste Fluidzwischenkammer ermöglicht, dass eine größere Menge von Flüssigkeit in den zweiten Fluidpfad gelangt, bevor ihr Meniskus den Scheitelpunkt des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads erreicht.
  • Bei Ausführungsbeispielen weisen die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine nachgeschaltete Fluidkammer auf, in die der erste Fluidpfad und der zweite Fluidpfad münden. Alternativ können der erste und der zweite Fluidpfad auch in verschiedene Kammern der nachgeschalteten Fluidikstrukturen münden, solange gewährleistet ist, dass während der Fluidhaltephase eine Druckausgleich zwischen den Mündungen des ersten und des zweiten Fluidpfads in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen besteht. Somit ist es möglich die geschaltete Flüssigkeit in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu sammeln. Der erste Fluidpfad kann radial weiter außen in die nachgeschaltete Fluidkammer münden als der zweite Fluidpfad. Dies ermöglicht, dass die Mündung des zweiten Fluidpfads in die nachgeschaltete Fluidkammer für eine Entlüftung frei bleibt, wenn die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt bzw. transferiert wird. Die nachgeschaltete Fluidkammer kann eine erste nachgeschaltete Fluidkammer sein, wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer aufweisen können, die über zumindest einen dritten Fluidpfad mit der ersten nachgeschalteten Fluidkammer fluidisch verbunden ist. Somit ist es möglich Fluidikstrukturen zu implementieren, die ein kaskadiertes Schalten ermöglichen.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine erste nachgeschaltete Fluidkammer und eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer aufweisen, wobei die erste nachgeschaltete Fluidkammer über einen dritten Fluidpfad und einen vierten Fluidpfad mit der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer fluidisch verbunden ist, wobei zumindest der dritte Fluidpfad einen Siphonkanal aufweist, wobei der dritte Fluidpfad und der vierte Fluidpfad durch die Flüssigkeit verschlossen werden, wenn die Flüssigkeit durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck durch den ersten Fluidpfad in die erste nachgeschaltete Fluidkammer der nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt, wodurch in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht und durch ein Verhältnis des Zentrifugaldrucks und des in dem Gasvolumen in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade (insbesondere den dritten und vierten Fluidpfad) in die zweite nachgeschaltete Fluidkammer gelangt, und wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit durch den dritten Fluidpfad in die zweite nachgeschaltete Fluidikkammer gelangt und das Gasvolumen aus der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer durch den vierten Fluidpfad zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird. Somit ist es möglich, Fluidikstrukturen zu implementieren, die ein kaskadiertes Schalten ermöglichen.
  • Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen mit einem Fluidikmodul wie es hierin beschrieben ist, die eine Antriebseinrichtung, die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul mit einer Rotation zu beaufschlagen, und einer Betätigungseinrichtung, die ausgelegt ist, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken, aufweist. Bei Ausführungsbeispielen ist die Betätigungseinrichtung ausgelegt, um die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls zu erhöhen oder zu verringern, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken. Bei Ausführungsbeispielen ist die Betätigungseinrichtung ausgelegt, um den pneumatischen Druck in den nachgeschalteten Fluidikstukturen durch eine Verringerung der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder durch eine Vergrößerung des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verringern.
  • Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen unter Verwendung eines Fluidikmoduls wie es hierin beschrieben ist, mit folgenden Merkmalen:
  • Einbringen zumindest einer Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich und Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich durch Rotieren des Fluidikmoduls, so dass die Flüssigkeit in einem durch den Zentrifugaldruck und den pneumatischen Druck dominierten quasi-stationären Gleichgewicht in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten wird; und
    Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck, um die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu transferieren und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich zu entlüften.
  • Bei Ausführungsbeispielen weist das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich das Erzeugen eines pneumatischen Überdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers auf. Bei Ausführungsbeispielen weist das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls, eine Vergrößerung der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks auf. Bei Ausführungsbeispielen weist das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich ein Erzeugen eines Unterdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen auf, um Menisken in dem Flüssigkeits-Haltebereich und dem ersten und zweiten Fluidpfad einzustellen und zu halten, ohne die Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu transferieren, wobei das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck eine Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder ein Erhöhen der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit im Flüssigkeits-Haltebereich aufweist.
  • Bei Ausführungsbeispielen weist das Ändern des Verhältnisses ein Verringern des pneumatischen Drucks durch ein Verringern der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen, ein Vergrößern des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder ein Verringern der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen auf.
  • Bei Ausführungsbeispielen wird während des Transferierens der Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad der zweite Fluidpfad nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt. Bei Ausführungsbeispielen wird die Stoffmenge des Gases in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen nicht verändert, während die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich gehalten wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel zum überdruckbasierten Schalten;
    • 2A bis 2E schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von 1;
    • 3A bis 3D schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine Flüssigkeitsaufnahmekammer und eine weitere Kammer aufweisen;
    • 4A bis 4D schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Fluidzwischenkammer in einem Fluidpfad zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschalteten Fluidikstrukturen angeordnet ist;
    • 5A bis 5D schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit geänderten Anschlusspositionen der Fluidpfade;
    • 6 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit kaskadierten Strukturen;
    • 7A bis 7E schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von 6;
    • 8A bis 8E schematische Darstellungen von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel zum unterdruckbasierten Schalten;
    • 9 eine schematische Darstellung von Fluidikstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel mit eine Flüssigkeits-Haltebereich, der zwei Fluidkammern aufweist;
    • 10A bis 10D schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von 9;
    • 11A bis 11E schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels von Fig. 9 bei Verwendung von zwei Flüssigkeiten;
    • 12A und 12B schematische Seitenansichten zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen zum Schalten von Flüssigkeiten; und
    • 13A und 13B schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen von Fluidikmodulen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Mikrofluidikstrukturen für ein zentrifugo-pneumatisches Schalten und Verfahren zum zentrifugo-pneumatischen Schalten, insbesondere zum zentrifugo-pneumatischen Schalten von Flüssigkeiten von einem Flüssigkeits-Haltebereich, der eine erste Kammer aufweisen kann, in nachfolgende bzw. nachgeschaltete Fluidikstrukturen. Unter nachgeschalteten bzw. nachfolgenden (wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet sind) Fluidikstrukturen werden dabei hierin Fluidikstukturen, wie z.B. Känale oder Kammern, verstanden, in die Flüssigkeit während einer Handhabung derselben aus vorhergehenden bzw. vorgeschalteten (wobei diese Ausdrücke hierin austauschbar verwendet sind) Fluidikstrukturen gelangt. Die Mikrofluidikstrukturen können dabei eine erste Kammer aufweisen, die mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen über mindestens zwei Fluidpfade verbunden ist, wobei mindestens der Fluidpfad, durch den die Flüssigkeit beim Schalten in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird, siphonförmig ausgestaltet ist. Die Strukturen und das Verfahren können derart gestaltet sein, dass die maßgeblichen Drücke in Richtung bzw. entgegen der Befüllung des Pfads für den Flüssigkeitstransfer durch Zentrifugaldrücke bzw. pneumatische Drücke gegeben sind. Ein Schalten, bei dem Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke andere Drücke dominieren, kann als zentrifugo-pneumatisches Schalten bezeichnet werden.
  • Bei Ausführungsbeispielen können pneumatische Überdrücke und/oder Unterdrücke verwendet werden.
  • Im Fall der Verwendung von Überdrücken wird bei der Befüllung der ersten Kammer mit einer Flüssigkeit Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt, wodurch in diesen ein pneumatischer Überdruck entsteht. Dieser pneumatische Überdruck kann durch geeignete Gestaltung in weiten Bereichen gewählt werden und bestimmt, bei ansonsten unveränderten Prozessierungsbedingungen, maßgeblich die für das Schalten der Flüssigkeit notwendige Rotationsfrequenz (Schaltfrequenz). Vor dem Schaltvorgang ist in diesem Fall der zentrifugal induzierte Druck in der ersten Kammer geringer als der notwendige Druck, um gegen den pneumatischen Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen den Scheitel des siphonförmigen Kanals zu benetzen, durch welchen die Flüssigkeit beim Schaltvorgang in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird. Dies stellt einen (quasistatischen) Gleichgewichtszustand dar. Durch Erhöhung der Rotationsfrequenz der Kartusche über die Schaltfrequenz kann der Zentrifugaldruck über den Schaltdruck erhöht werden, wodurch der Siphon benetzt und der Transfer der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen initiiert wird. Alternativ oder in Kombination kann auch die hydrostatische Höhe der Flüssigkeit vergrößert werden, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren, beispielsweise indem zusätzliche Flüssigkeit über vorgeschaltete Fluidikstrukturen in den Flüssigkeits-Haltebereich zugegeben wird.
  • Im Fall der Verwendung von Unterdruck für das Schaltprinzip können bei Ausführungsbeispielen zunächst die nachfolgenden Fluidikstrukturen erwärmt werden, so dass sich ein in ihnen enthaltenes Gas ausdehnt und ein Teil dieses Gases entweichen kann. Wenn in der Folge Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich transferiert wird und die Rotationsfrequenz erhöht wird, kann die Flüssigkeit in den Fluid-Verbindungspfaden auf circa derselben radialen Höhe stehen wie in dem Flüssigkeits-Haltebereich. Bei Verringerung der Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ergibt sich ein Unterdruck der in Richtung zu den nachfolgenden Fluidikstrukturen wirkt. Da die Verbindungspfade siphonförmig ausgestaltet sind, erhöht sich dadurch jedoch die hydrostatische Höhe in den Verbindungspfaden, so dass die Zentrifugalkraft in diesem Fall einer weiteren Befüllung der Verbindungspfade entgegenwirkt. Dies ist der (quasistatische) Gleichgewichtszustand unter Unterdruckbedingungen. Durch weitere Erhöhung des Unterdrucks und/oder durch Verringerung des Zentrifugaldrucks kann dann ein Schaltprozess initiiert werden.
  • Ausführungsbeispiele stellen Verfahren zum Zurückhalten von Flüssigkeiten und Auslösen des Schaltvorgangs durch andere Veränderungen der Prozessierungsbedingungen zusammen mit den damit verbundenen Strukturen dar. Allen Strukturen und Verfahren ist gemeinsam, dass während des Transfers die zweite Fluidverbindung zwischen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschalteten Fluidikstrukturen genutzt werden kann, um Gas aus den nachgeschalteten Fluidikstrukturen in den Flüssigkeits-Haltebereich bzw. eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs entweichen zu lassen oder zuströmen zu lassen, wodurch sich die pneumatische Druckdifferenz zu den nachgeschalteten Fluidikstrukturen abbauen lässt.
  • Im Folgenden werden einige Definitionen für hierin verwendete Bezeichnungen angegeben.
  • Unter hydrostatischer Höhe ist die radiale Distanz zwischen zwei Punkten in einer zentrifugalen Kartusche, falls sich an beiden Punkten Flüssigkeit einer zusammenhängenden Flüssigkeitsmenge befindet, zu verstehen. Unter hydrostatischem Druck ist die durch Zentrifugalkraft induzierte Druckdifferenz zwischen zwei Punkten aufgrund der zwischen ihnen liegenden hydrostatischen Höhe zu verstehen. Der effektive fluidische Widerstand einer mikrofluidischen Struktur ist der Quotient aus dem Druck, der ein Fluid durch eine mikrofluidische Struktur treibt, und daraus resultierendem Flüssigkeitsstrom durch die mikrofluidische Struktur zu verstehen. Unter Aliquotieren ist das Aufteilen eines Flüssigkeitsvolumens in mehrere getrennte Einzelvolumina, sogenannte Aliquots, zu verstehen.
  • Unter Metering ist das Abmessen eines definierten Flüssigkeitsvolumens aus einem größeren Flüssigkeitsvolumen zu verstehen. Unter Schaltfrequenz ist die Rotationsfrequenz einer mikrofluidischen Kartusche zu verstehen, bei deren Überschreitung ein Transferprozess einer Flüssigkeit von einer ersten Struktur in eine zweite Struktur beginnt. Unter einem Siphonkanal ist ein Mikrofluidikkanal oder ein Abschnitt eines Mikrofluidikkanals in einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche zu verstehen, bei dem Eingang und Ausgang des Kanals einen größeren Abstand vom Drehzentrum aufweisen als ein Zwischenbereich des Kanals. Unter einem Siphonscheitel ist der Bereich eines Siphonkanals in einer mikrofluidischen Kartusche mit minimalem Abstand vom Drehzentrum zu verstehen.
  • Unter einem Entlüftungs-Verzögerungswiderstand ist der fluidische Widerstand zu verstehen, durch den eine Fluidikstruktur, in der ein pneumatischer Differenzdruck zum Umgebungsdruck herrscht, entlüftet wird. Der fluidische Widerstand ist dabei mindestens so hoch, dass die Verringerung des Differenzdrucks auf dessen Hälfte unter alleiniger Berücksichtigung der Entlüftung durch den fluidischen Widerstand mindestens 0,5 s dauert. Dies trifft auf jeden Zeitpunkt während der Entlüftung zu.
  • Wenn bei Ausführungsbeispielen ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen vorgesehen ist, lässt sich der zeitliche Verlauf des Druckabfalls in diesen Fluidikstrukturen beispielsweise bestimmen, indem der Flüssigkeits-Haltebereich bei konstanter Temperatur unter Zentrifugation mit Flüssigkeit gefüllt wird und die hydrostatische Höhe zwischen einer vorgeschalteten Kammer und einer Fluidkammer, in der die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltestrukturen gehalten wird, im quasistationären Gleichgewicht durch ein geeignetes Kamerasystem (z.B. mit Stroboskopbelichtung) aufgenommen wird. Aus der Rotationsfrequenz und der hydrostatischen Höhe ergibt sich der in den nachfolgenden Strukturen bestehende pneumatische Überdruck. Daher lässt sich auch die Abbaurate des Überdrucks aus diesen Bildinformationen bestimmen, woraus sich die Größe des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands ergibt. Bei anderen Ausführungsbeispielen, wie z.B. einem Schalten bei Unterdruck, lässt sich das Verfahren analog verwenden, indem Flüssigkeit bei einer bestimmten Frequenz und Starttemperatur eingefüllt wird und danach eine definierte schnelle Abkühlung erzeugt wird. Aus der sich entwickelnden hydrostatischen Höhe in den Verbindungspfaden und deren Abbaugeschwindigkeit ergibt sich wiederum die Größe des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands.
  • Alle Flüssigkeiten, die sich in einem quasi-statischen Fluidzustand befinden, verändern ihre Position innerhalb der Kartusche, in der sie sich befinden, in direkter Abhängigkeit von den Prozessierungsbedingungen. D.h. alle Fluidtransportprozesse zwischen Fluidikstrukturen die bei konstanten Prozessierungsbedingungen ablaufen, sind abgeschlossen. Weiterhin nehmen Flüssigkeitstransportprozesse die eine Folge von Veränderungen von Prozessierungsbedingungen sind, jederzeit während der Veränderung der Prozessierungsbedingungen innerhalb von höchstens 1s auf deren jeweilige Hälfte ab, sobald die Veränderung der Prozessierungsbedingungen abrupt gestoppt werden.
  • Unter einem Flüssigkeitsführungspfad ist eine Mikrofluidikstruktur zu verstehen, durch die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in eine oder mehrere nachfolgende Fluidikstrukturen fließt. Unter einem Gasführungspfad ist eine Mikrofluidikstruktur zu verstehen, durch die während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gasaustausch zwischen den nachfolgenden Fluidikstrukturen und dem Flüssigkeits-Haltebereich stattfindet. Unter einem Flüssigkeitsaufnahmevolumen ist eine Mikrofluidikstruktur zu verstehen, die ein Volumen bereitstellt, in das Flüssigkeit nach Auslösung des erfindungsgemäßen Schaltvorgangs transferiert wird.
  • Unter einer mikrofluidischen Kartusche ist hierin eine Vorrichtung, wie z.B. ein Fluidikmodul, zu verstehen, die Mikrofluidikstrukturen aufweist, die ein Flüssigkeitshandhabung, wie sie hierin beschrieben ist, ermöglichen. Unter einer zentrifugalen mikrofluidischen Kartusche ist eine entsprechende Kartusche zu verstehen, die einer Rotation unterworfen werden kann, beispielsweise in Form eines in einen Rotationskörper einsetzbaren Fluidikmoduls oder eines Rotationskörpers.
  • Ist hierin von einem Fluidkanal die Rede, so ist eine Struktur gemeint, deren Längenabmessung von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass größer ist, beispielsweise mehr als 5-mal oder mehr als 10-mal größer, als die Abmessung bzw. Abmessungen, die den Strömungsquerschnitt definiert bzw. definieren. Somit weist ein Fluidkanal einen Strömungswiderstand für ein Durchströmen desselben von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass auf. Dagegen ist eine Fluidkammer hierein eine Kammer die solche Abmessungen aufweist, dass bei der Durchströmung der Kammer ein im Vergleich zu verbundenen Kanälen vernachlässigbarer Strömungswiderstand auftritt, der beispielsweise 1/100 oder 1/1000 des Strömungswiderstands der an die Kammer angeschlossenen Kanalstruktur mit kleinstem Strömungswiderstand betragen kann.
  • Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sei zunächst darauf hingewiesen, dass Beispiele der Erfindung insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden können, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Picoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen. Insbesondere können Ausführungsbeispiele der Erfindung auf zentrifugal-mikrofluidischen Systemen Anwendung finden, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung „Lab-on-a-Disk“ bekannt sind.
  • Wird hierin der Ausdruck radial verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper drehbar ist, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist. Ein Kanal, der einen radial ansteigenden Abschnitt aufweist weist also Richtungskomponenten auf, die radial ansteigen bzw. radial nach innen verlaufen. Es ist klar, dass ein solcher Kanal nicht exakt entlang einer radialen Linie verlaufen muss, sondern in einem Winkel zu der radialen Linie oder gebogen verlaufen kann.
  • Bezug nehmend auf die 12A, 12B, 13A und 13B werden zunächst Beispiele von zentrifugal-mikrofluidischen Systemen bzw. Fluidikmodulen beschrieben, bei denen die Erfindung verwendet werden kann.
  • 12A zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul in Form eines Rotationskörpers 10, der ein Substrat 12 und einen Deckel 14 aufweist. 13A zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Rotationskörper 10. Das Substrat 12 und der Deckel 14 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung15, in der ein Rotationszentrum R angeordnet ist und über die der Rotationskörper 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 16 an einem rotierenden Teil 18 einer Antriebsvorrichtung 20 angebracht sein kann. Das rotierende Teil 18 ist drehbar an einem stationären Teil 22 der Antriebsvorrichtung 20 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung 20 kann es beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 24 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper 10 mit Rotationen mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 24 kann ausgelegt sein, um ein Frequenzprotokoll auszuführen, um die hierin beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen. Die Steuereinrichtung 24 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung, einen Mikroprozessor oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 24 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall kann die Steuereinrichtung 24 konfiguriert sein, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um das Fluidikmodul mit den erforderlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, um Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 20 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
  • Der Rotationskörper 10 weist die hierein beschriebenen Fluidikstrukturen auf. Entsprechende Fluidikstrukturen sind in 13A rein schematisch durch trapezförmige Bereiche 28a bis 28d angedeutet. Beispielsweise können mehrere Fluidikstrukturen in azimutaler Richtung nebeneinander angeordnet sein, wie dies in 13A gezeigt ist, um eine parallele Handhabung mehrerer Flüssigkeiten zu ermöglichen. Die Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 14, dem Substrat 12 oder in dem Substrat 12 und dem Deckel 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 12 gebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 14 gebildet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist das strukturierte Substrat (inklusive Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen) oben angeordnet und der Deckel unten angeordnet.
  • Bei einem alternativen in 12B gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 32 in einen Rotor 30 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den Rotationskörper 10. 13B zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein entsprechendes Fluidikmodul. Die Fluidikmodule 32 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 30 und die Fluidikmodule 32 gebildete Rotationskörper 10 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 20, die durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
  • In den 12 und 13 ist ein Rotationszentrum, um das das Fluidikmodul bzw. der Rota-tionskörper drehbar ist, mit R bezeichnet.
  • Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die Fluidikstrukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethac-rylat), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan), Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden.
  • Wie nachfolgend erläutert wird, stellt die Steuereinrichtung 24 bei Ausführungsbeispielen eine Betätigungseinrichtung dar, die die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung einstellen kann, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren, d.h. die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu bewirken, durch die das Schalten der Flüssigkeit bewirkt wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Betätigungseinrichtung zusätzlich eine oder mehrere Heizeinrichtungen und/oder Kühleinrichtungen aufweisen, um die Temperatur der Fluidikstrukturen zu steuern, um den Flüssigkeitstransfer zu initiieren. Beispielsweise können ein oder mehrere Temperatursteuerelemente 40 (Heizelement und/oder Kühlelement) in den Rotationskörper integriert sein, wie in den 12A und 12B gezeigt ist. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere externe Temperatursteuerelemente 42 vorgesehen sein, über die die Temperatur der Fluidikstrukturen eingestellt werden kann. Die externen Temperatursteuerelemente können beispielsweise ausgelegt sein, um die Temperatur der Umgebung und damit auch des Fluidikmoduls zu steuern. Die Steuerung kann ausgelegt sein, um die Temperatursteuerelemente 40, 42 zu steuern, so dass bei solchen Ausführungsbeispielen die Betätigungseinrichtung die Steuerung 24 und die Temperatursteuerelemente aufweisen kann.
  • Bezugnehmend auf die 1 bis 11 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele von Fluidikmodulen (mikrofluidischen Kartuschen) und darin gebildeter Fluidikstrukturen beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch in einem Fluidikmodul 50 gebildete Fluidikstrukturen. Das Fluidikmodul 50 ist um ein Rotationszentrum R drehbar. Die Fluidikstrukturen weisen einen Flüssigkeits-Haltebereich auf, der eine erste Kammer 52 aufweist. Mit der ersten Kammer 52 sind vorausgehende Fluidikstrukturen verbunden, die eine vorgeschaltete Kammer 54 aufweisen, der über einen radial abfallenden Verbindungskanal 56 mit der ersten Kammer 52 verbunden ist. Der Verbindungskanal 56 mündet in einem radial äußeren Bereich 57, beispielsweise dem radial äußeren Ende, in die erste Kammer 52. Über die vorgeschaltete Kammer und den Verbindungskanal 56 ist die erste Kammer zentrifugal befüllbar. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die erste Kammer auch auf andere Weise als zentrifugal befüllbar sein kann, wobei erst nach der Befüllung das Fluidikmodul mit einer Rotation beaufschlagt wird, um das Gleichgewicht zwischen Zentrifugaldruck und pneumatischem Druck zu erreichen.
  • Das Fluidikmodul 50 weist ferner nachfolgende Fluidikstrukturen, die eine Fluidkammer 58 als Fluidaufnahmevolumen aufweisen, und zwei Fluidpfade 60, 62 auf, welche die erste Kammer 52 mit der Fluidkammer 58 fluidisch verbinden. Der Fluidpfad 62 weist einen Siphonkanal auf, dessen Siphonscheitel 64 radial innerhalb der radial äußersten Position der ersten Kammer 52 liegt. Die nachfolgenden Fluidikstrukturen in Form der Fluidkammer 58 sind entweder nicht entlüftet, oder können über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 entlüftet sein, der der obigen Definition genügt. Ein solcher Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 kann optional bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, ohne dass es jeweils einer separaten Erwähnung bedarf.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der erste Fluidpfad 60 zwischen der ersten Kammer 52 und der nachfolgenden Fuidikstruktur 58 aus einem Kanal, der von einem radial inneren Bereich der ersten Kammer 52, beispielsweise vom radial innersten Punkt 68 der ersten Kammer 52, zu einem radial inneren Bereich der nachfolgenden Fluidkammer 58, beispielsweise zum radial innersten Punkt 70 der nachfolgenden Fluidkammer 58, führt. Der zweite Fluidpfad 62 zwischen der ersten Kammer 52 und der nachfolgenden Fluidkammer 58 ist in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise am radial äußersten Punkt 72, der ersten Kammer 52 mit dieser verbunden und führt über den Siphonscheitel 64 zu einem radial äußeren Bereich, beispielsweise zum radial äußersten Punkt 74, der nachfolgenden Fluidkammer 58.
  • Zwischen der jeweiligen Mündung der beide Fluidpfade 60 und 62 in die erste Fluidkammer 52 und der jeweiligen Mündung in die nachfolgende Fluidkammer 58 liegt ein radiales Gefälle vor.
  • Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen ein Einbringen zumindest einer Flüssigkeit in eine erste Kammer des Flüssigkeits-Haltebereichs. Dieses Einbringen kann durch einen zentrifugal induzierten Transfer einer Flüssigkeit in die erste Kammer 52 erfolgen. Im Anschluss kann eine zentrifugo-pneumatisch induzierte Zurückhaltung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich, beispielsweise der ersten Kammer 52, erfolgen. Im Anschluss kann ein Schalten der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise die nachfolgende Fluidkammer 58, erfolgen. Während des Schaltvorgangs wird durch mindestens einen Fluidpfad (z.B. Fluidpfad 62) mindestens ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitshaltebereich (z.B. erster Kammer 52) in die nachfolgenden Fluidikstrukturen (z.B. Fluidkammer 58) transferiert. Fluidpfade, durch die während des Schaltvorgangs Flüssigkeit transferiert wird, werden im Folgenden als Flüssigkeitsführungspfade bezeichnet. Durch mindestens einen weiteren Fluidpfad (z.B. Fluidpfad 62) zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich (z.B. erster Kammer 52) und den nachfolgenden Fluidstrukturen (z.B. Fluidkammer 58) kann während des Schaltvorgangs Gas (in der Regel Luft) aus den nachfolgenden Fluidstrukturen zurück in den Flüssigkeits-Haltebereich transferiert werden. Fluidpfade die dies erlauben, werden im Folgenden Gasführungspfade genannt.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verfahrens anhand des Betriebs des in 1 gezeigten Fluidikmoduls 50 Bezug nehmend auf die 2A bis 2E beschrieben. Die 2A bis 2E zeigen fluidische Betriebszustände des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels während der Durchführung des Verfahrens. Der Übersichtlichkeit halber sind die jeweiligen Bezugszeichen der Fluidikstrukturen in den 2A bis 2E weggelassen.
  • In einem ersten Zustand, der in 2A gezeigt ist, befindet sich Flüssigkeit 80 in der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 und in dem Verbindungskanal 56 zwischen vorgeschalteter Kammer 54 und erster Kammer 52. Dabei befindet sich ein Teil der vorgeschalteten Kammer 54 radial näher am Rotationszentrum R als der Siphonscheitel 64 des Fluidführungskanals. Die Flüssigkeit kann beispielsweise über eine Einlassöffnung oder über weitere vorgeschaltete Fluidikstrukturen in die vorgeschaltete Kammer 54 und den Verbindungskanal 56 eingebracht werden. Durch die eingebrachte Flüssigkeit 80 ist in der ersten Kammer 52, den Fluidpfaden 60 und 62 und der nachgeschalteten Fluidkammer 58 ein Luftvolumen eingeschlossen, dass nicht entlüftet (oder lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet ist). Anders ausgedrückt ist auch der Fluidpfad 60, der einen Entlüftungskanal darstellt, zur Atmosphäre hin durch die im Flüssigkeits-Haltebereich befindliche Flüssigkeit 80 verschlossen.
  • Wie in 2B gezeigt ist, wird nachfolgend die Flüssigkeit 80 zentrifugal induziert aus der vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer 52 transferiert, wobei das Gas in der ersten Kammer 52, den nachfolgenden Fluidstrukturen 58 sowie den Verbindungspfaden 60, 62 komprimiert wird, da die erste Kammer 52 in diesem Betriebszustand nicht entlüftet bzw. nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet ist. Die vorgeschaltete Kammer 54 kann entlüftet sein, so dass in derselben Atmosphärendruck p0 herrschen kann. Gas wird dabei vorzugsweise über den Gasführungspfad 60 in die nachfolgenden Fluidstrukturen 58 transferiert. Die Fluidpfade 60, 62 zwischen erster Kammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen sind über die nachfolgenden Fluidikstrukturen miteinander verbunden, so dass sichergestellt ist, dass in den Fluidpfaden der gleiche pneumatische Überdruck herrscht. Gleichzeitig mit der Befüllung der ersten Kammer 52 kann auch der Flüssigkeitsführungspfad 62 mit Flüssigkeit befüllt werden, jedoch nicht bis zu dem Siphonscheitel 64.
  • Der sich aufbauende pneumatische Überdruck Δp in der ersten Kammer 52 und den nachfolgenden Fluidstrukturen 58 wirkt der weiteren zentrifugal induzierten Befüllung der ersten Kammer 52 sowie der Befüllung des Fluidführungskanals 62 entgegen, so dass der Siphonscheitel 64 im Fluidführungskanal 62 nicht benetzt wird und die Flüssigkeit, die sich in der ersten Kammer 52 sowie in der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 befindet, zurückgehalten wird. Somit stellen diese Fluidikstrukturen einen Flüssigkeits-Haltebereich dar.
  • Das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitshaltebereich wird erreicht, indem
    1. 1) der Flüssigkeitstransfer in die erste Kammer 52 die hydrostatischen Höhe zwischen vorgeschalteter Kammer 54 und erster Kammer 52 verringert, wodurch sich der in Richtung der Befüllung der ersten Kammer 52 wirkende Zentrifugaldruck verringert, und
    2. 2) gleichzeitig der pneumatische Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen mit fortschreitender Befüllung der ersten Kammer 52 steigt,
    so dass sich bei einer geeigneten Rotationsfrequenz der Kartusche ein Gleichgewicht zwischen den in Richtung der Befüllung des Flüssigkeitsführungspfads 62 wirkenden Drücken und den der Befüllung des Flüssigkeitsführungspfads entgegenwirkenden Drücken einstellt. Die entsprechende geeignete Rotationsfrequenz kann ohne weiteres abhängig von den verwendeten Geometrien und Flüssigkeitsmengen ermittelt werden.
  • Bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann bei geeigneter Wahl der Geometrien der Kammern und des Fluidführungskanals erreicht werden, dass Zentrifugaldruck und pneumatischer Überdruck gegenüber anderen Druckquellen wie z.B. dem Kapillardruck unter Berücksichtigung beliebiger Flüssigkeitseigenschaften und Kartuschenmaterialeigenschaften dominieren. Dies bedeutet, dass diese anderen Druckquellen nicht in der Lage sind, eine schaltvorgangsauslösende Abweichung von dem Befüllzustand des Flüssigkeitsführungspfads zu bewirken, der sich unter alleiniger Berücksichtigung des Gleichgewichts von pneumatischem Überdruck und Zentrifugaldruck ergibt. Dieses Gleichgewicht wird im Sinne der Erfindung auch verwirklicht, falls durch geringfügige gezielte Variationen der Prozessierungsbedingungen die beteiligten Drücke kontinuierlich variiert werden, wobei der qualitative Zustand der Zurückhaltung der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich (z.B. der ersten Kammer) nicht verlassen wird. Anders ausgedrückt kann während des Haltens der Flüssigkeit in einem quasi-stationären Gleichgewicht eine geringfügige Variation der Prozessierungsbedingungen erfolgen, ohne den Schaltvorgang auszulösen.
  • Ausgehend vom in 2B gezeigten Gleichgewichtszustand kann der Schaltvorgang durch Erhöhung des Zentrifugaldrucks über die Schaltfrequenz bzw. den zentrifugalen Schaltdruck erreicht werden. Dies kann z.B. erreicht werden, indem
    1. 1) die Rotationsfrequenz erhöht wird oder
    2. 2) die hydrostatische Höhe durch Hinzufügen von Flüssigkeit in den vorausgehenden Fluidikstrukturen vergrößert wird.
  • Durch die Erhöhung des Zentrifugaldrucks wird weitere Flüssigkeit aus der der ersten Kammer 52 vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer transferiert, so dass sich der Füllstand in der ersten Kammer 52 und dem Flüssigkeitsführungspfad 62 erhöht und der Siphonscheitel 64 des Fluidführungskanals 62 befüllt wird, wie in 2C gezeigt ist.
  • Alternativ kann der Schaltvorgang durch eine Verringerung des pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden, so dass bei gleichbleibender Rotationsfrequenz Flüssigkeit pneumatisch induziert aus der vorgeschalteten Kammer 54 in die erste Kammer 52 transferiert wird und dadurch der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 befüllt wird. Die Verringerung des pneumatischen Überdrucks kann dabei z.B. durch eine Verringerung der Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, durch eine Vergrößerung des Volumens der nachfolgenden Fluidikstrukturen oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden. Letzteres kann über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand, beispielsweise den in 1 gezeigten Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66, geschehen.
  • In der Folge einer der beschriebenen schaltauslösenden Prozessbedingungsveränderungen oder einer Kombination derselben befüllt sich der radial nach außen verlaufende Teil des siphonförmigen Kanals 64 im Flüssigkeitsführungspfad 62, wodurch die hydrostatische Höhe in diesem Kanal steigt. Der aus der hydrostatischen Höhe zwischen erster Kammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen resultierende Zentrifugaldruck führt zum Flüssigkeitstransfer von der ersten Kammer 52 in die nachfolgenden Fluidikstrukturen, wie in den 2C bis 2E gezeigt ist.
  • Während des Flüssigkeitstransfers wird Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen über den mindestens einen Gasführungspfad 60 in die erste Kammer 52 transferiert, wodurch dem Aufbau eines zusätzlichen pneumatischen Überdrucks in der Folge des Flüssigkeitstransfers in die nachfolgenden Fluidikstrukturen entgegengewirkt wird, siehe 2D. Dadurch kann ein vollständiger Transfer der Flüssigkeit aus der ersten Kammer 52 in die nachfolgenden Fluidikstrukturen bei einer festen Rotationsfrequenz oberhalb der Schaltfrequenz erreicht werden, wie in 2E gezeigt ist. Nach dem vollständigen Transfer der Flüssigkeit in die nachgeschaltete Fluidkammer können sich die Fluidikstrukturen auf Atmosphärendruck p0 befinden.
  • Der Schaltdruck und die damit verbundene Rotationsfrequenz der Kartusche (Schaltfrequenz) kann durch geeignete Wahl der Positionen und Geometrien der Kammern und der Fluidführungspfade in einem weiten Bereich gewählt werden.
  • Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele näher erläutert. Aufgrund der Abhängigkeiten zwischen Struktur und Verfahren werden für die Ausführungsbeispiele jeweils die besonderen Merkmale und die Besonderheiten des aus den Merkmalen resultierenden Verfahrens gemeinsam angegeben. Dort wo sich bei der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele Bescheibungsteile wiederholen würden, sind diese teilweise weggelassen, so dass Beschreibungsteile Ausführungsbeispiel-übergreifend gelten können. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele zum Teil jeweils nur einen Fluidpfad zwischen vorausgehenden Fluidikstrukturen und erster Kammer sowie nur einen Flüssigkeitsführungspfad und einen Gasführungspfad zwischen erster Kammer und den nachfolgenden Fluidikstrukturen zeigen, bedeutet dies keine Einschränkung der Zahl der möglichen Verbindungspfade zwischen den Fluidikstrukturen im Rahmen der Erfindung und dient lediglich der Vereinfachung der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
  • 3A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel von Fluidikstrukturen eines Fluidikmoduls 50, bei denen im quasistationären Gleichgewichtszustand, der in 3B gezeigt ist, die vollständige erste Fluidkammer 52 mit Flüssigkeit 80 gefüllt ist.
  • Bei dem in 3A gezeigten Ausführungsbeispiel weisen sowohl der Flüssigkeitsführungspfad 62 als auch der Gasführungspfad 60 einen siphonförmigen Kanal auf. Wiederum ist eine vorgeschaltete Kammer 54 über einen Verbindungskanal 56, der in ein radial äußeres Ende 90 der vorgeschalteten Kammer 54 mündet, mit der ersten Kammer 52 fluidisch verbunden. Der Flüssigkeitsführungspfad 62 und der Gasführungspfad 60 können wie bei dem Bezug nehmend auf 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel in die erste Kammer 52 und die nachgeschaltete Kammer 58 münden. Der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 ist radial innerhalb des radial innersten Punkts der ersten Kammer angeordnet, und ein Siphonscheitel 92 des Siphonkanals des Gasführungspfads 60 kann vorzugsweise radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegen. Die nachfolgenden Fluidikstrukturen weisen bei diesem Ausführungsbeispiel neben der nachgeschalteten Fluidkammer 58, die ein Flüssigkeitsaufnahmevolumen bzw. eine Flüssigkeitsaufnahmekammer darstellt, ein weiteres, davon getrenntes Volumen 94 auf. Der Anschlusspunkt des Gasführungspfads 60 an das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 58 (bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der radial innerste Punkt des Flüssigkeitsaufnahmevolumens 58) kann sich vorzugsweise näher am Rotationszentrum R der Kartusche befinden als der radial äußerste Punkt des Flüssigkeitsaufnahmevolumens 58, wodurch sich eine Benetzung des Anschlusspunkts 70 des Gasführungspfads 60 mit der während des Schaltvorgangs transferierten Flüssigkeit 80 unter dem Einfluss der während des Transfers herrschenden Zentrifugalkraft verhindern lässt. Das optionale von dem Flüssigkeitsaufnahmevolumen 52 getrennte Volumen 94 vergrößert gezielt das Volumen der nachfolgenden Fluidikstrukturen, wodurch sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der pneumatische Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen verringern lässt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zusätzliche Volumen 94 über einen Fluidpfad 96 mit dem Gasführungspfad 60 gekoppelt. Der Fluidpfad 96 mündet an einer Mündungsstelle 98 in den Gasführungspfad 60 und an einer Mündungsstelle 100 in das zusätzliche Volumen 94.
  • Bei dem in den 3A bis 3D gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die vorangehenden Fluidikstrukturen die Kammer 54 auf, deren Volumen vorzugsweise einen Bruchteil des Volumens der ersten Kammer 52 umfasst, und die mit der ersten Kammer 52 durch den Fluidpfad 56 verbunden ist, dessen Anschlusspunkt 90 an die vorgeschaltete Kammer 54 näher am Rotationszentrum R der Kartusche liegt als der Scheitel des Siphons 64 im Flüssigkeitsführungspfad 62. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann das Volumen der Kammer 54 auch größer als das Volumen der ersten Kammer 52 sein. Die Kammer 54 kann wiederum entlüftet sein und sich auf atmosphärischem Druck befinden. Der Anschlusspunkt 57 des Fluidverbindungspfads 56 zwischen vorausgehender Kammer 54 und erster Kammer 52 kann dabei an einer beliebigen Stelle der ersten Kammer 52 liegen und muss nicht in einem radial äußeren Bereich derselben angeordnet sein.
  • Das in den 3A bis 3D gezeigte Ausführungsbeispiel eines pneumatischen Gegendruck-Siphonventils ist zur Kompression des vollen Volumens der ersten Kammer ausgelegt. 3B zeigt dabei einen Betriebszustand, bei dem ein Gleichgewicht zwischen pneumatischem Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und den Drücken in Richtung der Befüllung der nachfolgenden Fluidikstrukuren vorliegt. 3C zeigt einen Betriebszustand, bei dem die Flüssigkeit aus der ersten Kammer in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird, und 3D einen Betriebszustand nach Abschluss des Flüssigkeitstransfers.
  • Im Betrieb wird Flüssigkeit 80 über die vorgeschalteten Fluidikstrukturen in die erste Fluidkammer 52 eingebracht. Die Fluidikstrukturen sind dabei derart ausgelegt, dass die erste Fluidkammer 52 vollständig mit der Flüssigkeit 80 gefüllt wird. Durch die eingebrachte Flüssigkeit wird dabei ein Gasvolumen in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen eingeschlossen. In 3B ist der entsprechende Zustand dargestellt, in dem die Flüssigkeit 80 in der ersten Kammer 52 zurückgehalten wird. Die Kartusche bzw. das Fluidikmodul kann sich dabei in Rotation mit einer Rotationsfrequenz ω1 befinden. Es befindet sich Flüssigkeit in der Kammer 54 der vorausgehenden Fluidikstrukturen, der ersten Fluidkammer 52 und den radial nach innen verlaufenden Abschnitten des Flüssigkeitsführungspfads 62 und des Gasführungspfads 60. Aufgrund der hydrostatischen Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitsmeniskus in den vorausgehenden Fluidikstrukturen und Menisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 wirkt ein Zentrifugaldruck in Richtung der Befüllung der Fluidverbindungspfade 60 und 62. Die Drücke, die der Befüllung des Siphons mit größerem radialen Abstand vom Drehzentrum R (also dem Siphon im Flüssigkeitsführungspfad 62) entgegenwirken (pneumatischer Überdruck Δp und ggf. andere wie Drücke, z.B. Kapillardruck) stehen im Gleichgewicht mit den Drücken die in Richtung der Befüllung dieses Siphons wirken (Zentrifugaldruck und ggf. andere). Dadurch befindet sich die Flüssigkeit in einem quasistationären Gleichgewicht.
  • Durch die Position der Flüssigkeitsmenisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60, 62 lässt sich erreichen, dass die beschriebene Struktur zur Abmessung der Flüssigkeitsmenge in der ersten Kammer 52 und den Fluidverbindungspfaden genutzt werden kann, wobei eine hohe Genauigkeit des abgemessenen Volumens erreicht werden kann.
  • Ausgehend von dem in 3B gezeigten Zustand kann durch eine Erhöhung der Rotationsfrequenz auf einen Wert > ω1, was zu einer Erhöhung des Zentrifugaldrucks in Richtung der nachfolgenden Fluidikstrukturen führt, oder aber durch Verringerung des Gegendrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 befüllt werden. Die Flüssigkeit kann dann in der Folge durch die wirkende Zentrifugalkraft aus der ersten Kammer 52 in das Flüssigkeitsaufnahmevolumen 58 transferiert werden, wie in 3C gezeigt ist. Während dieses Prozesses wird das Gas aus der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 über den Gasführungspfad 60 in die erste Kammer 52 transferiert, wodurch einer Erhöhung des pneumatischen Überdrucks in der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 entgegengewirkt wird. Während dieses Flüssigkeitstransfers bleibt das Gasvolumen zunächst in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und der ersten Kammer eingeschlossen, so dass in diesen jeweils ein pneumatischer Überdruck Δp herrscht, wie in 3C angedeutet ist. Nach Abschluss des Flüssigkeitstransfers findet ein Ausgleich des pneumatischen Überdrucks der nachfolgenden Fluidikstrukturen und der ersten Kammer mit den vorausgehenden Fluidikstrukturen über den Verbindungskanal 56 statt. Nach dem Flüssigkeitstransfer befinden sich die Fluidikstrukturen auf atmosphärischem Druck p0, wie in 3D gezeigt ist.
  • Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 4A bis 4D ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Kompressionskammervolumen im Gasführungspfad vorgesehen ist.
  • 4A zeigt in einem Fluidikmodul 50 gebildete Fluidikstrukturen, die einen Einlasskanal 110, eine erste Fluidkammer 52, einen Flüssigkeitsführungspfad 62, einen Gasführungspfad 60, eine nachgeschaltete Fluidkammer 58 und eine in dem Gasführungspfad 60 angeordnete Volumenkammer 112 aufweisen. Der Einlasskanal 110 kann wiederum mit einer vorgeschalteten Kammer (in 4A nicht gezeigt) fluidisch gekoppelt sein. Somit kann wiederum eine fluidische Verbindung zu vorausgehenden Fluidikstrukturen durch den Kanal 110 gegeben sein, dessen Anschlusspunkt an die erste Fluidkammer 52 radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegt. Nachgeschaltete Fluidikstrukturen sind wiederum durch die nachgeschaltete Fluidkammer 58 gebildet, die eine Flüssigkeitsaufnahmekammer darstellt.
  • Die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 ist an einem Mündungspunkt mit dem Gasführungspfad 60 verbunden. Der Mündungspunkt liegt vorzugsweise nicht an der radial äußersten Position der Flüssigkeitsaufnahmekammer 58, beispielsweise in einem radial inneren Bereich derselben oder an der radial innersten Position 70. Die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 ist ferner mit dem Flüssigkeitsführungspfad 62 fluidisch verbunden, vorzugsweise radial außerhalb der Anschlussposition 72 zwischen dem Flüssigkeitsführungspfad 62 und der ersten Fluidkammer 52. Der Flüssigkeitsführungspfad 62 kann an einer radial äußeren Position, beispielsweise an der radial äußersten Position 74, in die Flüssigkeitsaufnahmekammer 58 münden.
  • Bei dem in 4A gezeigten Ausführungsbeispiel mündet der Flüssigkeitsaufnahmepfad 62 in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position 72, in die erste Fluidkammer 52, und der Gasführungspfad 60 mündet ebenfalls an einer radial äußeren Position, beispielsweise der radial äußersten Position 116 des in 4A linken Bereichs der ersten Fluidkammer 52, in die erste Fluidkammer 52. Der Gasführungspfad 60 weist einen Siphon-Kanal auf, dessen Siphonscheitel 92 radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegt. Die Volumenkammer 112, die auch als Teilkompressionskammer bezeichnet werden kann, ist in dem radial ansteigenden Teil des Siphon-Kanals des Gasführungspfads 60 angeordnet, wobei der Gasführungspfad 60 an Mündungspunkten 118 und 120 in die Teilkompressionskammer 112 mündet. Die Teilkompressionskammer 112 befindet sich vorzugsweise auf einer größeren radialen Distanz vom Drehzentrum als der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62. Die Teilkompressionskammer 112 kann durch einen Teil des Gasführungspfads 60 mit der ersten Fluidkammer 52 verbunden sein, wobei der Verbindungspunkt, an dem dieser Teil des Gasführungspfades in die Teilkompressionskammer 112 mündet, vorzugsweise radial weiter vom Drehzentrum entfernt ist als der Siphonscheitel 64 des Fluidführungspfads 62. Der Mündungspunkt 120 kann dann mit den nachgeschalteten Fluidikstrukturen über den Siphon-Kanal des Gasführungspfads 60, der den Siphonscheitel 92 aufweist, verbunden sein.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Fluidikstrukturen, wie sie in 4A gezeigt sind, wird nun Bezug nehmend auf die 4B bis 4D beschrieben. Zunächst kann zentrifugal induziert Flüssigkeit aus vorhergeschalteten Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) über den Einlasskanal 110 in die erste Fluidkammer 52 transferiert werden. Unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft befüllt die Flüssigkeit 80 die erste Kammer von der radial außen liegenden Seite in Richtung zu der radial innen liegenden Seite. Dadurch werden die Fluidpfade 60 und 62, die die erste Fluidkammer 52 mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise der nachgeschalteten Fluidkammer 58, verbinden, befüllt und Gas (in der Regel Luft) durch die Flüssigkeit 80 in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen und den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 eingeschlossen. Durch den Anstieg der hydrostatischen Höhe zwischen dem Flüssigkeitsmeniskus 122 in der ersten Fluidkammer 52 und den Menisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 wird unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft Flüssigkeit in die Teilkompressionskammer 112 transferiert, wodurch das in dieser vorliegende Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt wird. Dadurch wird in diesen ein pneumatischer Überdruck Δp erzeugt, der einer weiteren Befüllung der Fluidverbindungspfade 60 und 62 entgegenwirkt. Es bildet sich ein Gleichgewicht zwischen den Drücken in Richtung und entgegen der Befüllung der Fluidpfade 60 und 62 aus, in dem der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 nicht benetzt ist und der Meniskus 122 der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 52 radial innerhalb des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 liegt. Dieser Betriebszustand ist in 4B gezeigt. Durch die Flüssigkeit 80 ist ein Gasvolumen in den Fluidpfaden 60, 62 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 58 eingeschlossen, in dem der pneumatische Überdruck Δp erzeugt wird. Da die erste Fluidkammer 52 entlüftet ist, befindet sich der Bereich der ersten Fluidkammer 52 oberhalb des Flüssigkeitsmeniskus 122 auf Atmosphärendruck p0.
  • Durch eine geeignete Wahl des Teilkompressionsvolumens 112 und der Volumina der nachgeschalteten Fluidikstrukturen kann der im Gleichgewicht in den nachfolgenden Fluidikstrukturen herrschende pneumatische Überdruck Δp weitgehend frei gewählt werden.
  • Durch eine Erhöhung der Rotationsfrequenz kann ausgehend von dem in 4B gezeigten Betriebszustand der Zentrifugaldruck in Richtung der Befüllung des Flüssigkeitsführungspfads 62 erhöht werden, wodurch der Siphonscheitel 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 befüllt und ein zentrifugal induzierter Transfer der Flüssigkeit in die nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 in Gang gesetzt wird. Bei Ausführungsbeispielen weist die Teilkompressionskammer 112 ein geringeres Flüssigkeitsvolumen auf als die erste Fluidkammer 52. Aufgrund des Flüssigkeitstransfers aus der ersten Fluidkammer 52 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen über den Flüssigkeitsführungspfad 62 wird im eingeschlossenen Volumen der nachfolgenden Fluidstrukturen ein zusätzlicher pneumatischer Überdruck aufgebaut, der zu einem Transfer der Flüssigkeit aus der Teilkompressionskammer 112 in die erste Fluidkammer 52 führt. Sobald der pneumatische Überdruck Δp in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen den hydrostatischen Druck übersteigt, der in der ersten Fluidkammer 52 auf den Gasführungspfad 60 wirkt, wird Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 über den Gasführungspfad 60 in die erste Fluidkammer 52 und durch die Flüssigkeit transferiert, wobei dieser Betriebszustand in 4C gezeigt ist. Der Betriebszustand nach Abschluss des Flüssigkeitstransfers ist in 4D gezeigt.
  • Bezug nehmend auf die 5A bis 5D wird nun ein Ausführungsbeispiel mit Anschlusspositionsvariationen der Fluidpfade beschrieben. Die in 5A gezeigten Fluidikstrukturen demonstrieren eine mögliche Auswahl an Variationsmöglichkeiten bei der Wahl der Anschlusspositionen zwischen der ersten Fluidkammer 52 und den Fluidverbindungspfaden 60 und 62, sowie bei der Ausgestaltung des Gasführungspfads 60 und der Anschlüsse zwischen den Fluidverbindungspfaden 60 und 62 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 58.
  • Bei Ausführungsbeispielen kann die Anschlussposition 130 zwischen den vorausgehenden Fluidikstrukturen (beispielsweise dem Einlasskanal 110 und der vorgeschalteten Fluidkammer 54) und der ersten Fluidkammer 52 an einer frei wählbaren Position der ersten Fluidkammer 52 liegen. Dasselbe trifft auf Anschlusspositionen 132, 134 der Verbindungspfade 60, 62 zwischen erster Fluidkammer 52 und nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 an die erste Fluidkammer 52 zu. In dem Fall, dass eine Teilkompressionskammer 112 im Gasführungspfad 60 vorhanden ist, können die Verbindungspunkte 132 und 118 der Anschlüsse zwischen erster Fluidkammer 52 und Teilkompressionskammer 112 und die Verbindungspunkte 120, 136 zwischen der Teilkompressionskammer 112 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen 58 ebenfalls frei gewählt werden. Vorzugsweise liegt der Mündungspunkt 136 des Gasführungspfads 60 in die nachgeschaltete Fluidkammer 58, das heißt das Flüssigkeitszielvolumen, nicht an der radial äußersten Position des Flüssigkeitszielvolumens. Weiterhin kann die Anschlussposition 138 des Flüssigkeitsführungspfads 62 in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 frei gewählt werden. Die Anschlussposition 134 liegt vorzugsweise in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer 52, da die erste Fluidkammer 52 nur bis zu dieser Anschlussposition über dem Flüssigkeitsführungspfad 62 entleert werden kann.
  • Anhand der 5B bis 5D wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Betriebs unter Verwendung der in 5A gezeigten Fluidikstrukturen erläutert. Zunächst wird Flüssigkeit aus den vorgeschalteten Fluidikstrukturen, beispielsweise der vorgeschalteten Kammer 54 zentrifugal induziert in die erste Fluidkammer 52 und die damit verbundenen Fluidverbindungspfade 60 und 62 transferiert. Dabei steigt der Füllstand der ersten Fluidkammer 52 in radialer Richtung kontinuierlich vom radial äußersten Punkt derselben hin zu radial weiter innen liegenden Positionen. Während des Befüllprozesses wird das in der ersten Fluidkammer 52 befindliche Gas durch die einströmende Flüssigkeit 80 verdrängt, wodurch Gas in die noch nicht durch Flüssigkeit benetzten Anschlüsse der Fluidverbindungspfade 60, 62 zwischen der ersten Fluidkammer 52 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert wird. Dadurch ergibt sich während des Befüllvorgangs der ersten Fluidkammer 52 ein Druckausgleich zwischen der ersten Fluidkammer 52 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen, solange der Füllstand in der ersten Fluidkammer 52 radial außerhalb des radial am weitesten innen liegenden Anschlusspunkts liegt.
  • Wie in 5A gezeigt ist, kann die Anschlussposition 134 des Flüssigkeitsführungspfads 62 an die erste Fluidkammer 52 dabei näher am Rotationszentrum R liegen als die Anschlussposition 132 des Gasführungspfads 60. Weiterhin kann mehr Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 52 transferiert werden als durch die erste Fluidkammer 52 und die Fluidverbindungspfade 60, 62 bis zur radialen Position des radial weiter innen liegenden Anschlusspunkts (des Anschlusspunkts 134 bei dem in 5A gezeigten Ausführungsbeispiel) aufgenommen werden kann. In diesem Fall kann weiterhin die erste Fluidkammer 52 ohne weitere Entlüftungen ausgestaltet sein, so dass sich in dem durch die Flüssigkeit 80 eingeschlossenen Gasvolumen bei fortgesetztem Transfer von Flüssigkeit aus den vorgeschalteten Fluidikstrukturen in die erste Fluidkammer 52 ein pneumatischer Überdruck Δp1 aufbauen kann, der nicht mit dem pneumatischen Überdruck Δp in den nachfolgenden Fluidikstrukturen identisch ist. Während der Befüllung der ersten Fluidkammer 52 kann ferner die Teilkompressionskammer 112 im Gasführungspfad 60 mit Flüssigkeit befüllt werden, wodurch Gas in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferiert wird. Durch eine Wahl des Anschlusspunkts 120 des Fluidpfads 60 zwischen der Teilkompressionskammer 112 und den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 58 an einer Position, die radial außerhalb des innersten Punkts der Teilkompressionskammer 112 liegt, kann analog zu den beschriebenen Prozessen in der ersten Fluidkammer eine Kompression von Gas in der Teilkompressionskammer 112 auftreten, sobald der Füllstand der Flüssigkeit in der Teilkompressionskammer 112 radial innerhalb des radial innersten Anschlusspunkts an die Teilkompressionskammer 112 liegt.
  • Durch eine entsprechende Befüllung des Flüssigkeits-Haltebereichs, der die erste Kammer 52 und die Teilkompressionskammer 112 aufweist, kann ein Gleichgewichtszustand erreicht werden, bei dem sich der Meniskus 104 der Flüssigkeit im radial nach innen verlaufenden Bereich des siphonförmigen Bereichs des Flüssigkeitsführungspfads 62 befindet, und die in Richtung der Benetzung des Siphonscheitels 64 wirkenden Drücke (Zentrifugaldruck und eventuell andere Drücke, wie beispielsweise der Überdruck Δp1) im Gleichgewicht mit den entgegen der Benetzung wirkenden Drücken (dem pneumatischen Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und eventuell anderen Drücken) stehen. Dieser Betriebszustand ist in 5B dargestellt.
  • Ausgehend von dem in 5B gezeigten Zustand kann, analog zu der obigen Beschreibung, durch Erhöhung des Zentrifugaldrucks oder Verringerung des pneumatischen Gegendrucks eine Benetzung des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 erreicht werden, wodurch ein Flüssigkeitstransfer aus der ersten Fluidkammer 52 in das Flüssigkeitszielvolumen 58 der nachgeschalteten Fluidikstrukturen initiiert wird. Dadurch kann der Pegel in der ersten Fluidkammer 52 unter den Anschlusspunkt 130 des Einlasskanals 110 in die erste Fluidkammer 52 sinken, so dass eine Entlüftung der ersten Fluidkammer 52 auf Atmosphärendruck p0 stattfindet. Wie oben Bezug nehmend auf das in den 4A bis 4D beschriebene Ausführungsbeispiel dargelegt wurde, kann, sobald der pneumatische Überdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen den hydrostatischen Druck übersteigt, der in der ersten Fluidkammer 52 auf den Gasführungspfad 60 wirkt, Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen über den Gasführungspfad in die erste Fluidkammer und durch die Flüssigkeit transferiert werden, wobei dieser Betriebszustand wiederum in 5C gezeigt ist.
  • Nachdem bei dem in den 5A bis 5D gezeigten Ausführungsbeispiel der Anschlusspunkt 134 zwischen dem Flüssigkeitsführungspfad 62 und der ersten Fluidkammer 52 radial innerhalb des radial äußersten Punkts der ersten Fluidkammer 52 liegt, kann der Transfer stoppen, sobald der Flüssigkeitsmeniskus 122 in der ersten Fluidkammer 52 die radiale Position des Anschlusspunkts 134 erreicht. Dies kann, wie in 5D gezeigt ist, zum Verbleib von Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 52 führen, woraus sich die Möglichkeit ergibt, durch mehrfache Benutzung derselben Fluidikstrukturen mit verschiedenen Flüssigkeiten diese in der ersten Fluidkammer 52 zu mischen. Dies kann auch zur Erzeugung von Verdünnungsreihen verwendet werden, falls in einem ersten Schritt ein durch die Fluidikstruktur definiertes Volumen einer zu verdünnenden Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer nach dem Transferschritt zurückbleibt und in folgenden Schritten die zur Verdünnung genutzte Flüssigkeit durch die vorausgehenden Fluidikstrukturen in die erste Fluidkammer transferiert und mit der zu verdünnenden Flüssigkeit gemischt wird. Die nachgeschalteten Fluidikstrukturen können dabei zu diesem Zweck durch eine Kaskadierung der beschriebenen Strukturen gegeben sein, das heißt durch radial nach außen versetzte Instanzen der beschriebenen Struktur.
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel kaskadierter Fluidikstrukturen in einem Fluidikmodul 50. Die kaskadierten Fluidikstrukturen stellen dabei im Wesentlichen eine Kombination der Bezug nehmend auf die 3A bis 3D und 4A bis 4D beschriebenen Ausführungsbeispiele dar. Der Aufbau der vorgeschalteten Fluidkammer 54, des Verbindungskanals 56, der ersten Fluidkammer 52, des Gasführungspfads 60, des Flüssigkeitsführungspfads 62 und der nachgeschalteten Fluidkammer 58 entspricht dabei dem oben Bezug nehmend auf die 3A bis 3D beschriebenen Aufbau der entsprechenden Strukturen. Diese Elemente bilden bei den in 6 gezeigten kaskadierten Fluidikstrukturen eine erste Schaltstruktur. Ein Gasführungspfad 160, ein Flüssigkeitsführungspfad 162 und eine weitere nachgeschaltete Fluidkammer 158 bilden eine zweite Schaltstruktur. Wie in 6 gezeigt ist, kann optional ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 vorgesehen sein. In dem Gasführungspfad 160 ist eine Zwischenkompressionskammer 112 angeordnet. Der Aufbau des Gasführungspfads 160, der Zwischenkompressionskammer 112 und des Flüssigkeitsführungspfads 162 kann im Wesentlichen dem Aufbau des Gasführungspfads 60, der Zwischenkompressionskammer 112 und des Gasführungspfads 62 entsprechen, die oben Bezug nehmend auf 4A beschrieben wurden. Wie in 6 gezeigt ist, kann der Flüssigkeitsführungspfad 162 in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 münden und kann in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 158 münden. Der Gasführungspfad 160 kann in einem radial äußeren Bereich, beispielsweise der radial äußersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 58 münden, und kann in einem radial inneren Bereich, beispielsweise der radial innersten Position, in die nachgeschaltete Fluidkammer 158 münden. Die Fluidpfade 160 und 162 weisen insgesamt ein radiales Gefälle auf, das heißt die Mündung derselben in die Fluidkammer 158 liegt radial weiter außen als die Mündung derselben in die Fluidkammer 58.
  • Die in 6 gezeigten Fluidikstrukturen stellen somit zwei kaskadierte Schaltstrukturen dar, wobei die Fluidkammer 58 für die erste Schaltstruktur eine nachgeschaltete Fluidikstruktur darstellt und für die zweite Schaltstruktur einen Flüssigkeits-Haltebereich darstellt. Bezug nehmend auf die 7A bis 7E wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum kaskadierten Schalten von Flüssigkeiten beschrieben. Die 7A bis 7E zeigen eine Illustration der fluidischen Prozesse während des Verfahrens zum kaskadierten Schalten von Flüssigkeiten unter Verwendung des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands 66. 7A zeigt dabei Flüssigkeit 80 in der ersten Fluidkammer 52 der ersten Schaltstruktur. 7B zeigt einen Flüssigkeitstransfer in die Flüssigkeitszielkammer 58 der ersten Schaltstruktur, welche gleichzeitig die erste Fluidkammer der zweiten Schaltstruktur darstellt. 7C zeigt den Endzustand des ersten Schaltvorgangs, der gleichzeitig den Gleichgewichtszustand vor der Initiierung des zweiten Schaltvorgangs darstellt. 7D zeigt den Transfer der Flüssigkeit in die Flüssigkeitszielkammer 158 der zweiten Schaltstruktur. 7E zeigt den Endzustand nach Abschluss des zweiten Flüssigkeitstransfers.
  • Bei dem Bezug nehmend auf die 7A bis 7E gezeigten Verfahren kann aufgrund des Vorhandenseins eines Entwicklungs-Verzögerungswiderstands ein zweiter Schaltvorgang umgesetzt werden.
  • Zunächst wird analog zu dem oben beschriebenen Verfahren Flüssigkeit zentrifugal induziert in die erste Fluidkammer 52 und die Fluidverbindungspfade 60, 62 transferiert und das in diesen vorhandene Gas wird in die nachfolgenden Fluidikstrukturen verdrängt, wodurch in diesen ein pneumatischer Überdruck entsteht, welcher der weiteren Befüllung und damit der Benetzung des Siphonscheitels 64 im Flüssigkeitsführungskanal 62 entgegenwirkt. Die nachgeschalteten Fluidikstrukturen weisen dabei die nachgeschaltete Fluidkammer 58, die Fluidpfade 160, 162 und die nachgeschaltete Fluidkammer 158 auf. Nachdem die erste Fluidkammer 52 vorzugsweise vollständig mit Flüssigkeit befüllt wurde, ist der in 7A gezeigte quasi-statische Zustand erreicht. Die in Richtung der Benetzung des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 wirkenden Drücke sind im quasi-statischen Gleichgewicht mit den dieser Benetzung entgegenwirkenden Drücken, wobei sich der pneumatische Überdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen langsam über den Entlüftungs-Verzögerungswiderstand 66 abbaut. In der Folge kann bei konstanter oder auch sich verringernder Rotationsfrequenz aufgrund der Verringerung des pneumatischen Gegendrucks die Benetzung des Siphonscheitels 64 des Flüssigkeitsführungspfads 62 und damit verbunden die Initiierung des Transferprozesses in die nachgeschaltete Fluidkammer 58, das heißt das erste Flüssigkeitszielvolumen, erreicht werden. Dieser Betriebszustand ist in 7B gezeigt. Alternativ oder in Kombination können ferner auch die anderen Prozessbedingungsveränderungen, die hierin zur Initiierung des Schaltprozesses beschrieben werden, eingesetzt werden, beispielsweise eine Erhöhung der Rotationsfrequenz oder eine Reduzierung des pneumatischen Überdrucks beispielsweise durch eine Reduzierung der Temperatur.
  • Während des ersten Transferprozesses wird, wie oben Bezug nehmend auf die 3A bis 3D beschrieben wurde, Gas über den Gasführungspfad 60 durch die erste Fluidkammer 52 entlüftet. Während dieses ersten Transferprozesses kann noch aus dem ersten Gasverdrängungsvorgang vorhandener Überdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen der zweiten Schaltstruktur teilweise erhalten bleiben, da während des Transfers keine vollständige Entlüftung auftreten muss. Dies ist in 7C durch den in der nachgeschalteten Fluidkammer 158 verbleibenden pneumatischen Überdruck Δp dargestellt. Im Rahmen des zentrifugalinduzierten ersten Transferprozesses wird weiterhin analog zu den oben Bezug nehmend auf die 4A bis 4D beschriebenen Prozessen die erste Fluidkammer der zweiten Schaltstruktur, das heißt die Fluidkammer 58, und die Teilkompressionskammer 112 des zweiten Gasführungspfads 160 mit Flüssigkeit befüllt und das zuvor darin enthaltene Gas in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 158 verdrängt. Der sich dabei aufbauende pneumatische Überdruck Δp führt zu dem in 7C gezeigten quasi-statischen Zustand, in dem die der Benetzung des Siphonscheitels 164 des Flüssigkeitsführungspfads 162 entgegenwirkenden Drücke mit denen in Richtung der Benetzung wirkenden Drücken im quasi-statischen Gleichgewicht stehen. Aufgrund der kontinuierlichen langsamen Entlüftung des pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen 158 der zweiten Schaltstruktur (aufgrund des Entlüftungs-Verzögerungswiderstands 66) kann wiederum die Benetzung des Siphonscheitels 164 des Flüssigkeitsführungspfads 162 bei konstanter oder sich verringernder Rotationsfrequenz erreicht werden, wodurch der zweite Flüssigkeitstransfer in die nachgeschaltete Fluidkammer 158, also die Flüssigkeitszielstruktur der zweiten Schaltstruktur, erreicht werden kann. Während dieses Flüssigkeitstransfers kann Gas aus der Fluidkammer 158 über den Gasführungspfad 160 in die Fluidkammer 58 entlüftet werden. Der Betriebszustand des Flüssigkeitstransfers ist in 7D dargestellt. Der Betriebszustand nach Abschluss des zweiten Flüssigkeitstransfers in die Flüssigkeitskammer 158 ist in gezeigt.
  • Bezug nehmend auf die 6 bis 7E wurde somit ein Ausführungsbeispiel für kaskadierte Schaltstrukturen beschrieben. Es bedarf keiner separaten Erläuterung, dass auch andere der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele kaskadiert werden können, wobei jeweils sämtliche hierin beschriebenen Prozessbedingungsveränderungen zur Initiierung der jeweiligen Schaltprozesses verwendet werden können. Obwohl bei dem beschriebenen Beispiel einer kaskadierten Struktur unter Verwendung eines Entlüftungsverzögerungswiderstands als Betätigungseinrichtung beschrieben ist, ist dies nicht zwangsweise erforderlich.
  • Allgemein wird erfindungsgemäß ein Flüssigkeitstransfer durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck bewirkt. Die Änderung dieses Verhältnisses kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Bei Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis geändert werden, indem eine Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls erhöht wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Antriebseinrichtung, durch die das Fluidikmodul in Rotation versetzt wird, mittels einer entsprechenden Steuereinrichtung entsprechend gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den pneumatischen Druck zu verringern, um das Verhältnis zu ändern. Zu diesem Zweck kann ein Entlüftungs-Verzögerungswiderstand vorgesehen sein, der als Betätigungseinrichtung betrachtet werden kann, die ausgelegt ist, um den pneumatischen Druck zu verringern. Alternativ oder in Kombination kann der pneumatische Druck verringert werden, indem die Temperatur des eingeschlossenen Gasvolumens gesteuert, insbesondere verringert, wird. Dies kann erfolgen, indem entweder die Temperatur des gesamten Fluidikmoduls oder zumindest von Teilen des Fluidikmoduls, in dem das Gasvolumen eingeschlossen ist, entsprechend gesteuert wird. Zu diesem Zweck können, wie oben Bezug nehmend auf die 12A und 12B beschrieben wurde, Temperatursteuerelemente vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination kann eine Verringerung des pneumatischen Drucks erreicht werden, indem das Volumen der nachgeschalteten Fluidikstrukturen vergrößert wird. Beispielsweise können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine oder mehrere Fluidkammern aufweisen, deren Volumen einstellbar ist.
  • Bezug nehmend auf die 8A bis 8E wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem ein Unterdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen verwendet wird, d.h. eine Verringerung des Drucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen unter den Umgebungsdruck. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann ein Schalten unter Verwendung von Temperatur- und/oder Zentrifugaldruck-Veränderungen stattfinden.
  • Wie bereits beschrieben wurde, kann eine temperaturgesteuerte Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, welche zur Initiierung des Flüssigkeitstransfers aus der ersten Fluidkammer in das Flüssigkeitszielvolumen dient, durch eine Verringerung der Temperatur des Gases in den nachfolgenden Fluidikstrukturen erreicht werden.
  • Wie in 8A gezeigt ist, weisen die in einem Fluidikmodul 50 gebildeten Fluidikstrukturen einen Einlasskanal 200 auf, der eine erste Fluidkammer 202 mit vorausgehenden Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) verbindet. Die erste Fluidkammer 202 kann über einen Fluidpfad 204 entlüftet sein. Die erste Fluidkammer 202 ist über einen ersten Fluidpfad 206 und einen zweiten Fluidpfad 208 mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210, die eine Fluidaufnahmekammer aufweisen, verbunden. Der erste Fluidpfad 206 weist einen Siphon-Kanal mit einem Siphonscheitel 212 auf. Der zweite Fluidpfad 208 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls einen Siphon-Kanal auf, dessen Siphonscheitel 214 radial weiter innen angeordnet ist als der Siphonscheitel 212 des ersten Fluidpfads 206. Der erste Fluidpfad 206 stellt einen Flüssigkeitsführungspfad dar, und der zweite Fluidpfad 214 stellt einen Gasführungspfad dar. Die Fluidverbindungspfade 206 und 208 müssen keine weiteren Kammern beinhalten. Der Flüssigkeitsführungspfad 212 ist in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an der radial äußersten Position, mit der ersten Fluidkammer verbunden. Der Gasführungspfad 208 ist in einem Bereich der ersten Fluidkammer 202 mit dieser verbunden, der bei Befüllung der ersten Fluidkammer 202 mit Flüssigkeit benetzt wird. Eine solche Befüllung der ersten Fluidkammer kann zentrifugal induziert über den Einlasskanal 200 erfolgen. Mögliche Positionen für die Mündungen der Fluidpfade 206 und 208 in die erste Fluidkammer 202 ergeben sich dabei aus der Kammergeometrie und den im Rahmen des Verfahrens eingesetzten Flüssigkeitsmengen. Der Siphonscheitel 212 des Flüssigkeitsführungspfads 206 liegt vorzugsweise radial innerhalb der Position, die während des Betriebs durch den Meniskus der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer erreicht wird, insbesondere während eines ersten Prozessierungsschritts, während dem Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 202, die einen Flüssigkeits-Haltebereich darstellt, gehalten wird. Wie in 8A gezeigt ist, kann der Gasführungspfad 208 in einem radial inneren Bereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210 münden, und der Flüssigkeitsführungspfad 206 kann in einem radial äußeren Bereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210 münden.
  • Die in 8A gezeigten Fluidikstrukturen stellen Fluidikstrukturen zum Unterdruckbasierten zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs-Siphon-Ventilschalten dar, wie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung der in 8A gezeigten Fluidikstrukturen deutlich wird.
  • In einem ersten Schritt wird Flüssigkeit aus vorgeschalteten Fluidikstrukturen (nicht gezeigt) zentrifugal induziert durch den Einlasskanal 200 in die erste Fluidkammer 202 transferiert. Dabei wird auch Flüssigkeit in die radial nach innen verlaufenden Bereiche der siphonförmigen Verbindungspfade 206, 208 zwischen der ersten Fluidkammer 202 und den nachfolgenden Fluidikstrukturen 210 transferiert. Ab dem Zeitpunkt der Benetzung des Anschlusspunkts des letzten der Verbindungspfade 206, 208 verdrängt die weitere in die Verbindungspfade einfließende Flüssigkeit das in den Verbindungspfaden enthaltene Gas in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, wodurch sich bei konstanter Temperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Überdruck ergibt, wie in 8B gezeigt ist. Dieser Überdruck als Differenz zum Atmosphärendruck kann ein geringfügiger Bruchteil des Atmosphärendrucks sein, sodass sich während der Einbringung ein vernachlässigbarer Überdruck ergibt.
  • Ausgehend von dem in 8B gezeigten Betriebszustand kann bei vorzugsweise konstanter Rotationsgeschwindigkeit eine Abkühlung der nachfolgenden Fluidikstrukturen 210, beispielsweise durch eine Verringerung der Umgebungstemperatur oder durch mit der Kartusche in Kontakt stehende Kühlelemente, erreicht werden, wodurch sich in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Unterdruck ergibt, wie in 8C angedeutet ist. In der Folge stellt sich abhängig von den Prozessierungsbedingungen (z. B. Rotationsfrequenz, Geometrie der Kammern und Kanäle, Start- und Endtemperatur in den nachfolgenden Fluidikstrukturen u.a.) eine neue hydrostatische Höhe zwischen den Menisken 102, 104 in den Fluidverbindungspfaden 206, 208 und dem Meniskus 122 der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 202 ein, die zu einem neuen Gleichgewicht zwischen den Drücken in Richtung der Befüllung des Siphonscheitels 212 des Flüssigkeitsführungspfads 206 (bei diesem Ausführungsbeispiel der pneumatische Unterdruck in den nachfolgenden Fluidikstrukturen und eventuell andere untergeordnete Drücke) und den Drücken entgegen dieser Befüllung (bei diesem Ausführungsbeispiel der Zentrifugaldruck aufgrund der sich einstellenden hydrostatischen Höhe und eventuell andere untergeordnete Drücke) führt, wie in 8C gezeigt ist. Ausgehend von dem unter diesen Prozessbedingungen vorliegenden Betriebszustand kann in einem folgenden Schritt durch Verringerung des Zentrifugaldrucks, beispielsweise durch Verringerung der Rotationsfrequenz oder aber durch weitere Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen, beispielsweise durch eine weitere Temperaturverringerung, eine Benetzung des Siphonscheitels 212 des Flüssigkeitsführungspfads 206 erreicht werden, und damit ein Transfer der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 202 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 210. Alternativ oder zusätzlich kann auch Flüssigkeit in die Fluidkammer 202 hinzugeführt werden, um den Siphonscheitel zu benetzen, wobei der Füllstand über den Siphonscheitel angehoben werden kann. Im Rahmen des Flüssigkeitstransfers kann die transferierte Flüssigkeit zu einer Kompression des in den nachfolgenden Fluidikstrukturen 210 vorhandenen Gases führen, so dass in diesem ein Überdruck entstehen kann, der zu einem Transfer von Gas aus den nachgeschalteten Fluidikstrukturen über den Gasführungspfad 208 in die erste Fluidkammer 202 führt, wie in 8D gezeigt ist. Im Folgenden entleert sich die erste Fluidkammer 202 über den Flüssigkeitsführungspfad 206 vollständig in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen, wie in 8E gezeigt ist.
  • Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer auf. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Flüssigkeits-Haltebereich mehrere Fluidkammern aufweisen, die über ein oder mehrere Fluidkanäle verbunden sein können oder nicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Flüssigkeits-Haltebereich mehrere Fluidkammern aufweist und bei dem ein Schalten durch temperaturgesteuerte Druckverringerung erfolgen kann, wird nachfolgend Bezug nehmend auf 9 erläutert.
  • Wiederum sind entsprechende Fluidikstrukturen in einem Fluidikmodul 50 gebildet. Die Fluidikstrukturen weisen vorgeschaltete Fluidikstrukturen, einen Flüssigkeits-Haltebereich und nachgeschaltete Fluidikstrukturen auf. Der Flüssigkeits-Haltebereich weist eine erste Fluidkammer 300 und eine zweite Fluidkammer 302 auf. Die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 sind über einen radial abfallenden Verbindungskanal 304 fluidisch verbunden. Die vorgeschalteten Fluidikstrukturen weisen eine vorgeschaltete Fluidkammer 306 auf, die in einem bezüglich eines Rotationszentrums R radial äußeren Bereich derselben Kammersegmente 306a und 306b aufweisen kann, die ein Abmessen von Flüssigkeitsvolumina ermöglichen. Das Kammersegment 306a ist über einen Fluidkanal 308 mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden und das Kammersegment 306b ist über einen Fluidkanal 310 mit der zweiten Fluidkammer 302 fluidisch verbunden. Ein weiterer Einlasskanal 312 kann mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden sein. Ein weiterer Einlasskanal/Entlüftungskanal 314 kann mit der zweiten Fluidkammer 302 fluidisch verbunden sein. Eine Entlüftungsöffnung 316 ist schematisch in 9 dargestellt. Ferner kann ein weiterer Einfüll/Entlüftungskanal 318 vorgesehen sein.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass die vorgeschalteten Fluidikstrukturen bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel auch lediglich aus einem Einlasskanal bestehen könnten, der mit der ersten Fluidkammer 300 fluidisch verbunden ist und der ein Befüllen der ersten Fluidkammer 300 ermöglicht, beispielsweise ein zentrifugal induziertes Befüllen aus einer mit dem entsprechenden Einlasskanal fluidisch verbundenen Einlasskammer.
  • Wie in 9 gezeigt ist, ist die erste Fluidkammer 300 über einen Flüssigkeitsführungspfad 320 mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 in Form einer nachgeschalteten Fluidkammer verbunden. Die zweite Fluidkammer 302 ist über einen Gasführungspfad 324 mit der nachgeschalteten Fluidikstruktur 322 verbunden. Der Flüssigkeitsführungspfad 320 weist einen Siphon-Kanal mit einem Siphonscheitel 326 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Gasführungspfad 324 ebenfalls einen Siphon-Kanal mit einem Siphonscheitel 328 auf. Die erreichbare hydrostatische Höhendifferenz zwischen dem Meniskus in Kammer 302 und dem Siphonscheitel 328 ist vorzugsweise höher, als die zu überwindende hydrostatische Höhendifferenz zwischen dem Meniskus in Kammer 300 und dem Siphonscheitel 326.
  • Der Flüssigkeitsführungspfad 320 mündet in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an einem radial äußeren Ende, in die erste Fluidkammer 300. Der Gasführungspfad 328 mündet in einem radial äußeren Bereich, vorzugsweise an einem radial äußeren Ende, in die zweite Fluidkammer 302. Die erste Fluidkammer 300 kann derart ausgestaltet sein, dass bei einem Befüllen derselben mit einem ersten Flüssigkeitsvolumen die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 über den Gasführungspfad 324 zu der zweiten Fluidkammer 302 entlüftet bleibt. Dieser Betriebszustand, bei dem ein erstes Flüssigkeitsvolumen 380 in die erste Fluidkammer 300 eingebracht ist, ist in 10A gezeigt. Änderungen der Temperatur und/oder Drehfrequenz können weiter durchgeführt werden, ohne dass die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 geschaltet wird. Für den Fall, dass Kapillarkräfte vernachlässigbar sind, ist die Flüssigkeit in diesem Zustand quasi in der Fluidkammer 300 gespeichert.
  • Wird nun weiteres Flüssigkeitsvolumen in die erste Fluidkammer 300 eingebracht, beispielsweise über die Kanäle 308 und/oder 312, steigt das Flüssigkeitsvolumen in der ersten Fluidkammer 300 solange an, bis überschüssiges Volumen durch den Verbindungskanal 304, der einen Überlauf darstellt, in die zweite Fluidkammer 302 fließt. Zu diesem Zweck liegt die Mündung des Verbindungskanals in die erste Fluidkammer 300 radial weiter innen als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer 300. Das überschüssige, in die zweite Fluidkammer 302 überlaufende Flüssigkeitsvolumen 382 verschließt den Gasführungspfad 324, der an einem radial äußeren Ende in die zweite Fluidkammer 302 mündet, luftdicht. Somit sind nun beide Fluidpfade 320 und 324 zu den nachgeschalteten Fluidikstrukturen luftdicht verschlossen, nachdem der Flüssigkeitsführungspfad 320 bereits bei Einbringen des Flüssigkeitsvolumens 380 in die erste Fluidkammer 300 luftdicht verschlossen wurde. Dieser Betriebszustand ist in 10B dargestellt.
  • Ausgehend von diesem Betriebszustand kann nun, wie oben Bezug nehmend auf die 8A bis 8E beschrieben wurde, durch Verringerung der Temperatur und entsprechende Verringerung des Drucks ein Unterdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 erzeugt werden, wie in 10C gezeigt ist. Wie ebenfalls Bezug nehmend auf die 8A bis 8E beschrieben wurde, kann nachfolgend durch Verringerung des Zentrifugaldrucks und/oder durch weitere Verringerung des Drucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen bewirkt werden, dass die Flüssigkeit über den Flüssigkeitsführungspfad 320 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 transferiert wird, wie in 10D gezeigt ist. Dabei ist der Siphon-Kanal des Flüssigkeitsführungspfads 320 derart ausgestaltet, dass beispielsweise bei Verringerung der Temperatur und dadurch induzierter Verringerung des Druck nur dieser Siphon schaltet, so dass vorzugsweise nur die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 und nicht die Flüssigkeit aus der zweiten Fluidkammer 302 transferiert wird. Ein potenzieller Überdruck in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 aufgrund des Transfers der Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 drückt dabei die Flüssigkeit aus dem Gasführungskanal 324 zurück in die zweite Fluidkammer 302, wobei Luft durch die zweite Fluidkammer 302 in Form von durch die Flüssigkeit aufsteigenden Luftblasen entweichen kann. Somit kann die gesamte Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 transferiert werden.
  • Bei starkem Unterdruck können auch die Siphon-Kanäle sowohl des Flüssigkeitsführungspfads 320 als auch des Gasführungspfads 324 mit Flüssigkeit gefüllt werden. Dadurch würden dann sowohl die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 als auch die Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer 302 zumindest teilweise transferiert werden. Durch den in der Folge stattfindenden Transfer der Flüssigkeit durch den Fluidführungspfad in die Kammer 322, kann der der Unterdruck in Kammer 322 mindestens teilweise ausgeglichen werden. Durch Transfer ausreichend großer Flüssigkeitsmengen kann über den Ausgleich des Unterdrucks hinaus ein Überdruck erzeugt werden, welcher innerhalb eines der Siphon-Kanäle, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in dem Gasführungskanal 324, zu einer Umkehr der Flussrichtung der Flüssigkeit und anschließend zu einem Phasenwechsel zu Gas führt, wodurch Gas aus den nachfolgenden fluidischen Strukturen 322 in die Kammer 302 entlüftet wird.
  • Eine Ausgestaltung, wie sie Bezug nehmend auf die 9 bis 10D beschrieben wurde, kann nützlich sein, um eine Flüssigkeit vor dem Schalten auf ein vordefiniertes Volumen abzumessen. Flüssigkeitsvolumina unterhalb des Zielvolumens werden nicht geschaltet.
  • Die Bezug nehmend auf 9 beschriebenen Fluidikstrukturen können auch verwendet werden, um eine zweite Flüssigkeit zuzugeben, wie nachfolgend Bezug nehmend auf die 11A bis 11E erläutert wird.
  • 11A entspricht dabei dem Betriebszustand aus Fig. 10A, bei dem ein erstes Flüssigkeitsvolumen 380 in die erste Fluidkammer 300 eingebracht ist und quasi in der ersten Fluidkammer 300 gespeichert ist. Fließt nun eine zweite Flüssigkeit durch den Zulaufkanal 310 in die zweite Fluidkammer 302, so sind die nachfolgenden Fluidikstrukturen 302 luftdicht verschlossen. Die zweite Flüssigkeit kann dazu entweder ausschließlich in die zweite Fluidkammer 302 über den Kanal 310 fließen, oder aufgeteilt in die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 über die Kanäle 308 und 310. Die entsprechenden zugeführten Volumina können dafür in den Kammersegmenten 306a und 306b der vorgeschalteten Fluidkammer 306 abgemessen werden, wie in 11B dargestellt ist. Wenn die zweite Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 fließt, so können die erste und die zweite Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 gemischt werden.
  • Wie in den 11C bis 11E gezeigt ist, kann nachfolgend die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 300 in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen 322 transferiert werden, wie dies oben Bezug nehmend auf die 8A bis 8E und 10A bis 10D beschrieben wurde. Insbesondere kann die Flüssigkeit durch Verringerung der Temperatur und entsprechende Verringerung des Drucks in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert werden.
  • Fluidikstrukturen, wie sie Bezug nehmend auf die 9 bis 11E beschrieben wurden, können insbesondere nützlich sein, um eine erste Flüssigkeit in einer ersten Fluidkammer eines Fluid-Haltebereichs zu speichern, während eine zweite Flüssigkeit noch weitere unabhängige Prozessschritte durchläuft. Diese Prozessschritte können dabei weitgehend frei benötigte Drehfrequenzen und Temperaturen benutzen, ohne dass die Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer 300 über den Flüssigkeitsführungspfad 320 geschaltet wird. Nach deren Prozessierung kann die zweite Flüssigkeit in die erste Fluidkammer 300 und die zweite Fluidkammer 302 zugegeben werden. Das entstehende Flüssigkeitsgemisch kann dann durch Verringerung der Temperatur weitergeschaltet werden.
  • Es ist für Fachleute offensichtlich, dass bei der beschriebenen Verwendung von Unterdruck die Fluidkammer des Fluid-Haltebereichs auch in drei oder mehr Kammern aufgeteilt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen müssen die verschiedenen Kammern des Flüssigkeits-Haltebereichs nicht über Kanäle verbunden sein, mit Ausnahme der Verbindung über die nachgeschalteten Fluidikstrukturen und die Verbindungskanäle, die die Fluidkammer mit den nachgeschalteten Fluidikstrukturen verbinden.
  • Allgemein mündet bei Ausführungsbeispielen der Flüssigkeitsführungspfad an einer Position in eine Flüssigkeitsaufnahmekammer der nachfolgenden Fluidikstrukturen, die radial außerhalb einer Position liegt, an der der Flüssigkeitsführungspfad in eine Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs mündet. Mit anderen Worten weist der Flüssigkeitsführungspfad insgesamt ein radiales Gefälle auf. Somit ist es möglich, über den Flüssigkeitsführungspfad, der einen Siphon-Kanal aufweist, die Flüssigkeit aus der entsprechenden Kammer des Flüssigkeits-Haltebereichs in die nachfolgenden Fluidikstrukturen über einen Siphonscheitel zu transferieren, der radial innerhalb der Mündung des Flüssigkeitsführungspfads in die Fluidkammer des Flüssigkeits-Haltebereichs angeordnet ist.
  • Bei Ausführungsbeispielen können die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine Flüssigkeitsaufnahmekammer aufweisen, in die die Flüssigkeit transferiert wird. Bei Ausführungsbeispielen kann der Flüssigkeits-Haltebereich zumindest eine Fluidkammer aufweisen, aus der die Flüssigkeit in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen transferiert wird.
  • Bei Ausführungsbeispielen sind die Fluidikstrukturen derart ausgestaltet, dass Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke eine übergeordnete Rolle spielen, während Kapillarkräfte vernachlässigbar sein können. Bei Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Fluidpfade als Fluidkanäle ausgebildet sein, wobei in den Fluidpfaden Kammern, beispielsweise Teilkompressionskammern angeordnet sein können.
  • Ausführungsbeispiele schaffen somit Fluidikmodule, Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zwei Fluidverbindungspfade zwischen einer Kammer, in der eine Flüssigkeit vor einem Schalten zurückgehalten wird, und einer Zielstruktur für die Flüssigkeit nach dem Schaltvorgang vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine weitgehend flüssigkeitseigenschafts-unabhängige monolithische Realisierung einer Struktur zum Schalten einer Flüssigkeit bei wahlweisem Überschreiten oder Unterschreiten einer hohen Rotationsfrequenz der Kartusche. Ausführungsbeispiele schaffen ein zentrifugo-pneumatisches Entlüftungs-Siphonventil, das Fluidikstrukturen auf einem zentrifugalen Testträger aufweist. Die Fluidikstrukturen können eine erste Anzahl an Kammern, nachfolgende Fluidikstrukturen, sowie mindestens zwei Fluidpfade, die die erste Anzahl an Kammern mit den nachfolgenden Fluidikstrukturen verbinden, aufweisen. Mindestens einer der Fluidpfade zwischen der ersten Anzahl an Kammern und den nachfolgenden Fluidikstrukturen beinhaltet einen Siphon-Kanal, wobei die Verbindung über die Fluidpfade von der ersten Anzahl an Kammern zu den nachfolgenden Fluidikstrukturen derart angeordnet ist, dass bei Befüllen der ersten Anzahl von Kammern mit Flüssigkeit ein Zustand hergestellt werden kann, in dem in den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein durch die Flüssigkeit eingeschlossenes Gasvolumen entsteht oder aber ein quasi-eingeschlossenes Gasvolumen entsteht, bei dem die nachfolgenden Strukturen eine Entlüftung mit einem Entlüftungs-Verzögerungswiderstand aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen solcher Fluidikstrukturen ist in mindestens einem der Fluidverbindungspfade zwischen der ersten Anzahl an Kammern und den nachfolgenden Fluidikstrukturen ein Siphon-Kanal vorgesehen, wobei der Siphonscheitel radial innerhalb der radial äußersten Position einer ersten Kammer, in die der Siphon-Kanal mündet, liegt. Bei Ausführungsbeispielen solcher Fluidikstrukturen sind die nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht entlüftet. Bei Ausführungsbeispielen kann die Anzahl an Kammern eine Kammer oder mehr als eine Kammer umfassen.
  • Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Zurückhalten und Schalten von Flüssigkeiten unter Verwendung eines entsprechenden zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs-Siphonventils, bei dem eine oder mehrere Flüssigkeiten in einem Flüssigkeits-Haltebereich (einer ersten Anzahl an Kammern) in einem durch Zentrifugaldrücke und pneumatische Drücke dominierten quasi-statischen Gleichgewicht zurückgehalten wird/werden, so dass eine nachfolgende Initiierung eines Transfers mindestens einer Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen lediglich durch eine Veränderung der wirkenden zentrifugalen und/oder pneumatischen Drücke möglich ist. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird im Laufe des Transfers von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen über mindestens einen Fluidpfad Gas aus den nachfolgenden Fluidikstrukturen in Richtung des Flüssigkeits-Haltebereichs transferiert. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird während des Transfers von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachfolgenden Fluidikstrukturen mindestens ein Fluidverbindungspfad zwischen dem Flüssigkeits-Haltebereich und den nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird die Stoffmenge des Gases in den nachfolgenden Fluidikstrukturen nicht durch einen mit der Umgebung verbundenen Fluidpfad verändert, während Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich zurückgehalten wird. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich aufgrund eines pneumatischen Unterdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers zurückgehalten. Bei Ausführungsbeispielen eines solchen Verfahrens wird Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich aufgrund eines pneumatischen Überdrucks in den nachfolgenden Fluidikstrukturen vor der Initiierung des Transfers zurückgehalten.
  • Ausführungsbeispiele können beliebige Abwandlungen und Kombinationen der gezeigten schematischen Ausführungsbeispiele aufweisen und werden durch diese nicht beschränkt.
  • Obwohl oben Merkmale der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines Verfahrens oder anhand einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass die beschriebenen Vorrichtungsmerkmale auch jeweils Merkmale eines entsprechenden Verfahrens darstellen und die beschriebenen Verfahrensmerkmale auch jeweils Merkmale einer entsprechenden Vorrichtung darstellen, die konfiguriert sein kann, um eine entsprechende Funktionalität zu liefern.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen somit Verfahren und Vorrichtungen zum Schalten von Flüssigkeit unter Verwendung eines zentrifugo-pneumatischen Entlüftungs-Siphonventils, das Fluidikstrukturen aufweist, wie sie hierin beschrieben sind. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik können Ausführungsbeispiele der beschriebenen Struktur in Verbindung mit dem beschrieben Verfahren auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik mehrere Anforderungen an die Einheitsoperationen des Zurückhaltens und späteren gezielten Weiterschaltens einer Flüssigkeit gleichzeitig erfüllen. Ausführungsbeispiele ermöglichen eine monolithische Realisierung der zugehörigen Fluidikstrukturen in einer zentrifugal mikrofluidischen Kartusche. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Ausgestaltung der Struktur, so dass das Funktionsprinzip weitgehend unabhängig gegenüber Flüssigkeits- und Kartuschenmaterial-Eigenschaften ist. Dies umfasst insbesondere den Kontaktwinkel zwischen Flüssigkeit und Kartuschenmaterial, sowie die Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit von weitergehenden Anpassungen der Fluidikstrukturen, um die notwendigen Prozessierungsbedingungen für die Auslösung eines Schaltprozesses in weiten Bereichen zu bestimmen. Die Anpassungsmöglichkeiten können insbesondere die Möglichkeit zur freien Wahl des in die nachfolgenden Fluidikstrukturen transferierten Gasvolumens und dem dadurch erzielten pneumatische Überdruck betreffen.
  • Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Initiierung des Schaltprozesses unter Verwendung verschiedener Veränderungen der Prozessierungsbedingungen. Dies umfasst insbesondere Rotationsfrequenzen, Temperaturen und Wartezeiten (bei Verwendung eines Entlüftungs-Verzögerungswiderstands) während der Prozessierung. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit, unter Rückgriff auf Temperaturänderungen abhängig von der Prozessführung eine Flüssigkeit bei Erhöhung über eine Schwellfrequenz oder bei Verringerung der Rotationsfrequenz unter eine Schwellfrequenz zu schalten. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit zur Herstellung der mikrofluidischen Strukturen ohne scharfe Kanten, das heißt mit geringen Anforderungen an Fertigungsverfahren, wie z. B. Spritzguss und Spritzprägen. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen es, stark ansteigende pneumatische Drücke im fluidischen Zielvolumen während des Flüssigkeitstransfers nach dem Schaltvorgang zu vermeiden. Ausführungsbeispiele bieten die Möglichkeit einer Kaskadierung der Fluidikstrukturen. Schließlich bieten Ausführungsbeispiele die Möglichkeit zur Mehrfachverwendung der Fluidikstrukturen, um mehrere Flüssigkeiten nacheinander zurückzuhalten und gezielt zu schalten.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind konfiguriert, um das Verhältnis des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu ändern, um eine Schwelle zu überschreiten, bei der ein Siphonscheitel des Siphon-Kanals in dem ersten Fluidpfad überwunden wird, so dass ein Transferieren der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits-Haltebereich in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen stattfindet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben Varianten der Fluidikstrukturen und zugehörigen Verfahren, welche verschiedene Möglichkeiten zur Beeinflussung des Gleichgewichts der Drücke aufzeigen, die in Richtung oder entgegen der Initiierung des erfindungsgemäßen Schaltvorgangs wirken. Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren weiterhin auf der Erkenntnis, dass das beschriebene Schaltprinzip leicht mit anderen Operationen auf derselben zentrifugalen mikrofluidischen Plattform kombiniert werden kann, beispielsweise indem eine Flüssigkeit nach vorhergehenden fluidischen Operationen in eine erfindungsgemäße Struktur geleitet wird oder indem die beschriebene Schaltstruktur kaskadiert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013215002 B3 [0011]
    • EP 2817519 B1 [0012]
    • DE 102013203293 B4 [0013]
    • DE 102008003979 B3 [0015]
    • WO 2015/049112 A1 [0017]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • S. Zehnle et. al. „Pneumatic siphon valving and switching in centrifugal microfluidics controlled by rotational frequency or rotational acceleration“, Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (2015) 19, Seiten 1259 - 1269 [0011]
    • D. Mark et.al., „Aliquoting on the centrifugal microfluidic platform based on centrifugo-pneumatic valves“, Springer Verlag, Microfluid Nanofluid (2011) 10, Seiten 1279 - 1288 [0015]
    • D. Mark, „Centrifugo-pneumatic valve for metering of highly wetting liquids on centrifugal microfluidic patforms“, Lab Chip, 2009, 9, S. 3599-3603 [0015]
    • F. Schwemmer et.al., „Centrifugo-pneumatic multi-liquid aliquoting - parallel aliquoting and combination of multiple liquids in centrifugal microfluidics“, Royal Society of Chemistry 2015, Lab Chip, 2015, 15, Seiten 3250 - 3258 [0017]
    • Al-Faqheri et. al., „Development of a Passive Liquid Valve (PLV) Utilizing a Pressure Equilibrium Phenomenon on the Centrifugal Microfluidic Platform“, Sensors 2015, 15, Seiten 4658 - 4676 [0019]

Claims (26)

  1. Fluidikmodul (50) zum Schalten von Flüssigkeit (80) von einem Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) in nachgeschaltete Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322), mit folgenden Merkmalen: einem Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302), in den eine Flüssigkeit (80) einbringbar ist, mindestens zwei Fluidpfaden (60, 62, 206, 208, 320, 324), die den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) mit nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) fluidisch verbinden, wobei mindestens ein erster Fluidpfad (62, 206, 320) der beiden Fluidpfade einen Siphonkanal aufweist, wobei ein Siphonscheitel (64, 212, 326) des Siphonkanals radial innerhalb einer radial äußersten Position des Flüssigkeits-Haltebereichs (52, 202, 300, 302) liegt, wobei die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) nicht entlüftet sind oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand (66) entlüftet sind, wenn die Flüssigkeit (80) in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) eingebracht ist, so dass in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand (66) entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) eingebracht wird, und durch ein Verhältnis eines durch eine Rotation des Fluidikmoduls (50) bewirkten Zentrifugaldrucks und eines in dem Gasvolumen herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade (60, 62, 206, 208, 320, 324) in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) gelangt, wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad (62, 206, 320) in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) gelangt und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad (60, 208, 324) der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) entlüftet wird.
  2. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls (50) bewirkten Zentrifugaldruck über einen radial abfallenden Einlasskanal (56, 110, 200, 308, 312) in eine Fluidkammer (52, 202, 300) des Flüssigkeits-Haltebereichs einbringbar ist.
  3. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Fluidpfad (60, 208, 324) der beiden Fluidpfade ein Entlüftungskanal für die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) ist, der von der Flüssigkeit verschlossen ist, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) eingebracht ist.
  4. Fluidikmodul (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Fluidpfad (62, 206, 320) in einem radial äußeren Bereich oder einem radial äußeren Ende in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) mündet, so dass der Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) zumindest bis zu dem Bereich, in dem der erste Fluidpfad (62, 206, 320) in den Flüssigkeits-Haltebereich mündet, über den ersten Fluidpfad (62, 206, 320) entleerbar ist.
  5. Fluidikmodul (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Flüssigkeits-Haltebereich eine erste Fluidkammer (52, 202, 300) aufweist, wobei der erste Fluidpfad (62, 206, 320) in einem radial äußeren Bereich der ersten Fluidkammer (52, 202, 300) oder an einem radial äußeren Ende der ersten Fluidkammer (52, 202, 300) in die erste Fluidkammer (52, 202, 300) mündet.
  6. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 5, bei dem die erste Fluidkammer (52) nicht entlüftet ist oder nur über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftet ist, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird, so dass ein in die erste Fluidkammer (52) und die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94) eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich eingebracht wird.
  7. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 5, bei dem der Flüssigkeits-Haltebereich ferner eine zweite Fluidkammer (302) aufweist, in die durch einen bei einer Rotation des Fluidikmoduls (50) bewirkten Zentrifugaldruck eine Flüssigkeit einbringbar ist, wobei der erste Fluidpfad (320) in die erste Fluidkammer (300) und der zweite Fluidpfad (324) in die zweite Fluidkammer (302) mündet, und wobei der zweite Fluidpfad (324) durch eine in die zweite Fluidkammer (300) eingebrachte Flüssigkeit verschließbar ist.
  8. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 7, bei dem die erste Fluidkammer (300) und die zweite Fluidkammer (302) über einen Verbindungskanal (304) fluidisch miteinander verbunden sind, dessen Mündung in die erste Fluidkammer (300) radial weiter innen liegt als ein radial äußeres Ende der ersten Fluidkammer (300), so dass Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer (300) in die zweite Fluidkammer (302) überläuft, wenn der Füllstand der Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer (300) die Mündung erreicht, und den in die zweite Fluidkammer (302) mündenden zweiten Fluidpfad (324) verschließt.
  9. Fluidikmodul (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der zweite Fluidpfad (60, 208, 324) einen Siphonkanal aufweist.
  10. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 9, bei dem der zweite Fluidpfad (208, 324) in einem radial äußeren Bereich des Flüssigkeits-Haltebereichs (52, 202, 302) in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 302) mündet.
  11. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 10, bei dem ein Scheitelpunkt (92, 214, 328) des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads (60, 208, 324) radial weiter innen liegt als ein Scheitelpunkt (64, 212, 326) des Siphonkanals des ersten Fluidpfads (62, 206, 320).
  12. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem in dem zweiten Fluidpfad (60) zwischen dem Scheitelpunkt (92) des Siphonkanals des zweiten Fluidpfads (60) und der Mündung (116, 132) des zweiten Fluidpfads (60) in den Flüssigkeits-Haltebereich (52) eine Fluidzwischenkammer (112) angeordnet ist, wobei die Fluidzwischenkammer (112) zumindest teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt wird, wenn die Flüssigkeit in den Flüssigkeits-Haltebereich (52) eingebracht wird.
  13. Fluidikmodul (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die nachgeschalteten Fluidikstrukturen zumindest eine nachgeschaltete Fluidkammer (58, 210, 322) aufweisen, in die der erste Fluidpfad (62, 206, 320) mündet.
  14. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 13, bei dem der erste Fluidpfad (62, 206) radial weiter außen in die nachgeschaltete Fluidkammer (58, 210) mündet als der zweite Fluidpfad (60, 208).
  15. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die nachgeschaltete Fluidkammer (58) eine erste nachgeschaltete Fluidkammer ist und die nachgeschalteten Fluidikstrukturen eine zweite nachgeschaltete Fluidkammer (94, 158) aufweisen, die über zumindest einen dritten Fluidpfad (96, 160) mit der ersten nachgeschalteten Fluidkammer (58) fluidisch verbunden ist.
  16. Fluidikmodul (50) nach Anspruch 15, bei dem die erste nachgeschaltete Fluidkammer (58) über einen dritten Fluidpfad (160) und einen vierten Fluidpfad (162) mit der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer (158) fluidisch verbunden ist, wobei zumindest der dritte Fluidpfad (160) einen Siphonkanal aufweist, wobei der dritte Fluidpfad (160) und der vierte Fluidpfad (162) durch die Flüssigkeit verschlossen werden, wenn die Flüssigkeit durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck durch den ersten Fluidpfad (62) in die erste nachgeschaltete Fluidkammer (58) der nachgeschalteten Fluidikstrukturen gelangt, wodurch in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer (158) ein eingeschlossenes Gasvolumen oder ein lediglich über einen Entlüftungs-Verzögerungswiderstand entlüftetes Gasvolumen entsteht und durch ein Verhältnis des Zentrifugaldrucks und des in dem Gasvolumen in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer (158) herrschenden pneumatischen Drucks zumindest temporär verhindert wird, dass die Flüssigkeit durch die Fluidpfade (160, 162) in die zweite nachgeschaltete Fluidkammer (158) gelangt, wobei durch eine Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck in der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer (158) bewirkt werden kann, dass die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den dritten Fluidpfad (160) in die zweite nachgeschaltete Fluidikkammer (158) gelangt und das Gasvolumen aus der zweiten nachgeschalteten Fluidkammer (158) durch den vierten Fluidpfad (162) zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich entlüftet wird.
  17. Vorrichtung zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich in nachgeschaltete Fluidikstrukturen mit einem Fluidikmodul (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, einer Antriebseinrichtung (20), die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul (50) mit einer Rotation zu beaufschlagen, und einer Betätigungseinrichtung (20, 24, 40, 42), die ausgelegt ist, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck zu bewirken.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei dem die Betätigungseinrichtung (20, 24) ausgelegt ist, um die Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls (50) zu erhöhen oder zu verringern, um die Änderung des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck zu bewirken.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die Betätigungseinrichtung (40, 42) ausgelegt ist, um den pneumatischen Druck in den nachgeschalteten Fluidikstukturen durch eine Verringerung der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen, durch eine Vergrößerung des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen und/oder eine Verringerung der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen zu verringern.
  20. Verfahren zum Schalten von Flüssigkeit von einem Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) in nachgeschaltete Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) unter Verwendung eines Fluidikmoduls (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, mit folgenden Merkmalen: Einbringen zumindest einer Flüssigkeit (80) in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) und Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) durch Rotieren des Fluidikmoduls (50), so dass die Flüssigkeit in einem durch den Zentrifugaldruck und den pneumatischen Druck dominierten quasi-stationären Gleichgewicht in dem Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) gehalten wird; und Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck, um die Flüssigkeit zumindest teilweise durch den ersten Fluidpfad (62, 206, 320) in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) zu transferieren und das Gasvolumen durch den zweiten Fluidpfad der beiden Fluidpfade zumindest teilweise in den Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) zu entlüften.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich (52) das Erzeugen eines pneumatischen Überdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158) vor der Initiierung des Transfers aufweist.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Duck eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls (50), eine Vergrößerung der hydrostatischen Höhe der Flüssigkeit und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks aufweist.
  23. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Halten der Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich ein Erzeugen eines Unterdrucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (210, 322) aufweist, um Menisken (102, 104, 122) in dem Flüssigkeits-Haltebereich und dem ersten und zweiten Fluidpfad (206, 208, 320, 324) einzustellen und zu halten, ohne die Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad (206, 320) in die nachgeschalteten Fluidikstrukturen (210, 322) zu transferieren, und wobei das Ändern des Verhältnisses des Zentrifugaldrucks zu dem pneumatischen Druck eine Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluidikmoduls (50) und/oder ein Verringern des pneumatischen Drucks in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (210, 322) aufweist.
  24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem das Ändern des Verhältnisses ein Verringern des pneumatischen Drucks durch ein Verringern der Temperatur in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (210, 322), ein Vergrößern des Volumens der nachgeschalteten Fluidikstrukturen (210, 322) und/oder ein Verringern der Gasmenge in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (210, 322) aufweist.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei dem während des Transferierens der Flüssigkeit durch den ersten Fluidpfad (62, 206, 320) der zweite Fluidpfad (60, 208, 324) nicht vollständig mit Flüssigkeit befüllt wird.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, bei dem die Stoffmenge des Gases in den nachgeschalteten Fluidikstrukturen (58, 94, 158, 210, 322) nicht verändert wird, während die Flüssigkeit in dem Flüssigkeits-Haltebereich (52, 202, 300, 302) gehalten wird.
DE102017204002.5A 2017-03-10 2017-03-10 Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit Active DE102017204002B4 (de)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017204002.5A DE102017204002B4 (de) 2017-03-10 2017-03-10 Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit
EP18708690.5A EP3592463B1 (de) 2017-03-10 2018-03-05 Verfahren zum zentrifugo-pneumatischen schalten von flüssigkeit
CN201880031223.0A CN110650801B (zh) 2017-03-10 2018-03-05 液体的离心气动式切换
PL18708690T PL3592463T3 (pl) 2017-03-10 2018-03-05 Sposób odśrodkowo pneumatycznego przełączania cieczy
ES18708690T ES2864739T3 (es) 2017-03-10 2018-03-05 Método de conmutación centrífugo-neumática de líquido
PCT/EP2018/055344 WO2018162413A1 (de) 2017-03-10 2018-03-05 Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit
US16/562,241 US11141728B2 (en) 2017-03-10 2019-09-05 Centrifugo-pneumatic switching of liquid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017204002.5A DE102017204002B4 (de) 2017-03-10 2017-03-10 Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102017204002A1 true DE102017204002A1 (de) 2018-09-13
DE102017204002B4 DE102017204002B4 (de) 2019-05-23

Family

ID=61563410

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017204002.5A Active DE102017204002B4 (de) 2017-03-10 2017-03-10 Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11141728B2 (de)
EP (1) EP3592463B1 (de)
CN (1) CN110650801B (de)
DE (1) DE102017204002B4 (de)
ES (1) ES2864739T3 (de)
PL (1) PL3592463T3 (de)
WO (1) WO2018162413A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109894175A (zh) * 2019-04-11 2019-06-18 石家庄禾柏生物技术股份有限公司 一种流体控制模块
DE102019007512A1 (de) * 2019-10-29 2021-04-29 Lilian Labs GmbH Mikrofluidische Vorrichtung zur Aufnahme von Flüssigkeiten und zugehöriges Verfahren
DE102020207628A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Leiten eines flüssigkeitsflusses auf eine aktive festphase
DE102020210404A1 (de) 2020-08-14 2022-02-17 SpinDiag GmbH Verfahren zum Betrieb eines Analysegeräts, Verwendung einer Kartusche und Analysegerät
DE102021208891B3 (de) 2021-08-13 2022-10-13 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Unterdruckschalten von Flüssigkeit
DE102022203875B3 (de) 2022-04-20 2023-06-15 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Handhabung zweier flüssigkeitsvolumina

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113546699B (zh) * 2020-04-24 2023-07-07 康怡科技有限公司 用于分配流体的流体设备、装置和方法
WO2022243369A1 (en) * 2021-05-20 2022-11-24 Blusense Diagnostics Aps Microfluidic device with improved venting structure

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020027133A1 (en) 1997-05-23 2002-03-07 Gregory Kellogg Device and methods for using centripetal acceleration to drive fluid movement in a microfluidics system
US20100240142A1 (en) 2007-11-08 2010-09-23 Panasonic Corporation Analyzing device and analyzing method using same
US20120295781A1 (en) 2011-04-18 2012-11-22 The Regents Of The University Of California Microfluidic device for whole blood sample preparation
DE102013218978B3 (de) 2013-09-20 2014-11-06 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren, die Rückschlüsse über die Viskosität einer Probe ermöglichen
US20140352410A1 (en) 2011-12-08 2014-12-04 Biosurfit S.A. Sequential aliqoting and determination of an indicator of sedimentation rate

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101437615A (zh) * 2004-12-21 2009-05-20 法斯特拉克公司 用于诊断化验的试样盒
DE102008003979B3 (de) 2008-01-11 2009-06-10 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Fluidikvorrichtung, Fluidikmodul und Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit
SE533562C2 (sv) * 2009-03-06 2010-10-26 Alfa Laval Corp Ab Centrifugalseparator
CN114134029A (zh) * 2012-02-13 2022-03-04 纽莫德克斯莫勒库拉尔公司 用于处理和检测核酸的微流体盒
DE102012202775B4 (de) 2012-02-23 2016-08-25 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Fluidikmodul, vorrichtung und verfahren zum pumpen einer flüssigkeit
DE102013203293B4 (de) 2013-02-27 2016-01-21 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum Leiten einer Flüssigkeit durch einen ersten oder zweiten Auslasskanal
DE102013215002B3 (de) 2013-07-31 2014-11-06 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeit in einem zentrifugalen System unter Verwendung von Unterdruck
DE102013219929B4 (de) 2013-10-01 2015-07-30 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Fluidikmodul, Vorrichtung und Verfahren zum Aliquotieren einer Flüssigkeit
DE102014224664B3 (de) * 2014-12-02 2015-10-08 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Vorrichtung und verfahren zur tropfenerzeugung
DE102016207845B4 (de) 2016-05-06 2018-04-12 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Fluidhandhabungsvorrichtung und Verfahren zur Fluidhandhabung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020027133A1 (en) 1997-05-23 2002-03-07 Gregory Kellogg Device and methods for using centripetal acceleration to drive fluid movement in a microfluidics system
US20100240142A1 (en) 2007-11-08 2010-09-23 Panasonic Corporation Analyzing device and analyzing method using same
US20120295781A1 (en) 2011-04-18 2012-11-22 The Regents Of The University Of California Microfluidic device for whole blood sample preparation
US20140352410A1 (en) 2011-12-08 2014-12-04 Biosurfit S.A. Sequential aliqoting and determination of an indicator of sedimentation rate
DE102013218978B3 (de) 2013-09-20 2014-11-06 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren, die Rückschlüsse über die Viskosität einer Probe ermöglichen

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S. Lutz et al.; "Microfluidic lab-on-a-foil for nucleic acid analysis based on isothermal recombinase polymerase amplification (RPA)"; Lab Chip, 2010, 10, S. 887 – 893
Siphon – Wikipediaartikel

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109894175A (zh) * 2019-04-11 2019-06-18 石家庄禾柏生物技术股份有限公司 一种流体控制模块
CN109894175B (zh) * 2019-04-11 2024-05-17 石家庄禾柏生物技术股份有限公司 一种流体控制模块
DE102019007512A1 (de) * 2019-10-29 2021-04-29 Lilian Labs GmbH Mikrofluidische Vorrichtung zur Aufnahme von Flüssigkeiten und zugehöriges Verfahren
DE102020207628A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Leiten eines flüssigkeitsflusses auf eine aktive festphase
DE102020207628B4 (de) 2020-06-19 2023-01-19 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Leiten eines flüssigkeitsflusses auf eine aktive festphase
DE102020210404A1 (de) 2020-08-14 2022-02-17 SpinDiag GmbH Verfahren zum Betrieb eines Analysegeräts, Verwendung einer Kartusche und Analysegerät
DE102020210404B4 (de) 2020-08-14 2022-07-14 SpinDiag GmbH Verfahren zum Betrieb eines Analysegeräts, Verwendung einer Kartusche und Analysegerät
DE102021208891B3 (de) 2021-08-13 2022-10-13 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Unterdruckschalten von Flüssigkeit
WO2023016923A1 (de) * 2021-08-13 2023-02-16 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Unterdruckschalten von flüssigkeit
DE102022203875B3 (de) 2022-04-20 2023-06-15 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Handhabung zweier flüssigkeitsvolumina

Also Published As

Publication number Publication date
ES2864739T3 (es) 2021-10-14
US11141728B2 (en) 2021-10-12
CN110650801A (zh) 2020-01-03
EP3592463B1 (de) 2021-01-27
US20190388886A1 (en) 2019-12-26
EP3592463A1 (de) 2020-01-15
WO2018162413A1 (de) 2018-09-13
CN110650801B (zh) 2021-11-02
DE102017204002B4 (de) 2019-05-23
PL3592463T3 (pl) 2021-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102017204002B4 (de) Zentrifugo-pneumatisches schalten von flüssigkeit
DE102013219929B4 (de) Fluidikmodul, Vorrichtung und Verfahren zum Aliquotieren einer Flüssigkeit
DE102016207845B4 (de) Fluidhandhabungsvorrichtung und Verfahren zur Fluidhandhabung
DE102012202775B4 (de) Fluidikmodul, vorrichtung und verfahren zum pumpen einer flüssigkeit
EP2072131B1 (de) Mikrofluidisches Element zur Durchmischung einer Flüssigkeit in einer Reagenz
DE102011083920B4 (de) Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von fluidisch voneinander separierten teilvolumina einer flüssigkeit
DE102013203293A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Leiten einer Flüssigkeit durch einen ersten oder zweiten Auslasskanal
DE102013215002B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeit in einem zentrifugalen System unter Verwendung von Unterdruck
EP3154692B1 (de) Fluidikmodul, vorrichtung und verfahren zum handhaben von flüssigkeit
DE102009050979B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Flüssigkeitsflusses und Vorrichtung zum Verschließen eines Entlüftungskanals
DE102013218978B3 (de) Vorrichtung und Verfahren, die Rückschlüsse über die Viskosität einer Probe ermöglichen
DE102011079698A1 (de) Mikrofluidische Vorrichtung mit einer Kammer zur Lagerung einer Flüssigkeit
DE102021208891B3 (de) Unterdruckschalten von Flüssigkeit
DE102013200363A1 (de) Mikrofluidisches Kanalsystem mit Blasenfängereinrichtung und Verfahren zum Entfernen von Gasblasen
EP2688670A1 (de) Fluidisches system zur blasenfreien befüllung einer mikrofluidischen filterkammer
WO2019137775A1 (de) Mikrofluidischen vorrichtung und verfahren zu dessen betrieb
EP3740313A1 (de) Verfahren zum bereitstellen einer lösung der substanz in einer mikrofluidischen vorrichtung
DE102023207560B3 (de) Halten und Transferieren von Flüssigkeiten
DE102022203875B3 (de) Handhabung zweier flüssigkeitsvolumina
DE102018206463A1 (de) Verfahren zum Verdünnen, Mischen und/oder Aliquotieren von zwei Flüssigkeiten in einem mikrofluidisches System
DE102021207014A1 (de) Mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung
DE102008016549A1 (de) Dosiervorrichtung für kontaktfreie Flüssigkeitsabgabe
DE102012213044B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Kombinationen von Flüssigkeiten und Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Kombinationen von Flüssigkeiten

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final