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Stand der Technik
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Mikrofluidische Systeme erlauben die Analyse von kleinen Probenmengen mit einer hohen Sensitivität, wobei durch Automation, Miniaturisierung und Parallelisierung ein schnelles Prozessieren von kleinen Probenmengen in kleinen Volumina möglich ist. Hierbei werden Laborprozesse und Protokolle auf einem mikrofluidischen Chip, kurz Lab-on-a-Chip genannt, zusammengeschaltet. Manche dieser Laborprozesse erfordern dabei ein kurzzeitiges Kühlen von Proben oder Reaktionsgemischen für eine wohldefinierte Prozessdurchführung. Insbesondere bei Antikörperfärbungen in der Immunochemie muss für die Inkubation kurzzeitig das Reaktionsgemisch gekühlt werden, damit nur spezifische kinetische und nicht unspezifische thermodynamische Produkte gebildet werden. Für eine solche Kühlung in mikrofluidischen Systemen sind Peltierelemente wie beispielsweise in
DE 102010028012 A1 oder extern gekühlte Fluide eine gängige Lösung.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung einer chemischen oder biologischen Probe umfassend eine erste Prozessierkammer zur Aufnahme der Probe oder einer Reagenz für die Probe. Ferner umfasst die Vorrichtung eine von der ersten Prozessierkammer durch eine erste Membran getrennte erste Kühlkammer, wobei die erste Kühlkammer eine endotherm lösliche Substanz zur Kühlung der ersten Prozessierkammer aufweist.
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Unter einer chemischen oder biologischen Probe kann insbesondere ein Fluid oder Fluidgemisch mit einem oder mehreren zu analysierenden Analyten verstanden werden, insbesondere mit einer oder mehreren chemischen oder biologischen Spezies. Die Probe kann somit flüssig oder gasförmig oder auch in fester Form vorliegen, beispielsweise in gefriergetrockneter Form. Beispielsweise umfasst die Probe eine Körperflüssigkeit wie Blut, Sputum oder einen Abstrich. Für die Prozessierung kann die Probe auch Substanzen für eine chemische oder biologische Reaktion mit dem Analyten umfassen. Unter einer Probe kann somit auch ein Reaktionsgemisch verstanden werden, beispielsweise die Probe umfassend ein oder mehrere Reagenzien für eine Prozessierung der Probe. Unter einer Reagenz für die Probe kann insbesondere ein Stoff, ein Stoffgemisch oder eine Substanz verstanden werden, welcher beziehungsweise welches oder welche für eine Prozessierung der Probe verwendet werden. Bei der Prozessierung der Probe kann es sich beispielsweise um eine Analyse von in der Probe enthaltenen Substanzen oder Analyten handeln. Unter einer Prozessierkammer kann insbesondere eine Kammer oder Ausnehmung zur Durchführung einer chemischen oder biologischen Reaktion mit der Probe oder mit der Reagenz für die Probe verstanden werden. Die Prozessierkammer kann dabei auch einen Teil oder Abschnitt eines Fluidkanals der Vorrichtung 100 bilden. Unter einer Membran kann insbesondere eine Schicht, Folie oder insbesondere dünne Wand, beispielsweise umfassend ein oder mehrere Kunststoffe, verstanden werden. Unter einer Kühlkammer kann eine Kammer oder Ausnehmung zur Aufnahme der endotherm löslichen Substanz verstanden werden. Unter einer endotherm löslichen Substanz kann insbesondere eine feste oder flüssige Substanz, insbesondere ein Stoff oder ein Stoffgemisch, verstanden werden, welche sich in einer Flüssigkeit unter Wärmeaufnahme löst und somit der Umgebung Wärme entzieht und dadurch die Umgebung kühlt. Bei der endotherm löslichen Substanz kann es sich insbesondere um ein endotherm lösliches Salz handeln. Zur Lösung der Substanz kann eine geeignete Flüssigkeit verwendet werden, beispielsweise Wasser bei endotherm löslichen Salz.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine Kühlfunktion in der mikrofluidischen Vorrichtung bereitgestellt werden kann, ohne dass die mikrofluidische Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen dafür stark abgeändert werden muss. Es sind lediglich die Kühlkammer mit der Membran und ein Zugang in die Kühlkammer für ein Einleiten einer Flüssigkeit zum Starten der endothermischen Reaktion mit der endotherm löslichen Substanz bereitzustellen. Die Membran als flüssigkeitsundurchlässige Trennmembran verhindert dabei vorteilhafterweise, dass bei einer Lösung der Substanz keine Flüssigkeit in die erste Prozessierkammer gelangen kann. Ferner ist vorteilhafterweise keine externe Kühlquelle erforderlich und somit eine kompakte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, insbesondere auch für einen Einsatz außerhalb von Laborräumlichkeiten oder für einen Einsatz als unkomplizierten Schnelltest. Ferner ist von Vorteil, dass aufgrund der endothermen Reaktion keine Wärme beim Abkühlungsprozess aus der Vorrichtung abgeführt werden muss. Vorteilhafterweise kann die endotherm lösliche Substanz in der Kühlkammer trocken und robust vorgelagert werden. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass das Ausmaß der Kühlwirkung über die Art und Menge der endotherm löslichen Substanz sowie über die Art und Menge der mit der Substanz reagierenden Flüssigkeit auf einfache Art und Weise gesteuert werden kann. Insbesondere können durch einen solchen Kühlprozess typische molekularbiologische Experimente spezifischer in Bezug auf eine kinetische Produktebildung durchgeführt werden, beispielsweise können insbesondere Antikörperfärbungen und in-situ-Hybridisationen wie zum Beispiel fluoreszente insitu Hybridisierung, kurz „FISH“ für Fluorescent Insitu Hybridisierung, ermöglicht werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste Prozessierkammer mit einer zweiten Prozessierkammer der Vorrichtung fluidisch verbunden, wobei die zweite Prozessierkammer durch eine zweite Membran von einer zweiten Kühlkammer getrennt ist. Vorzugsweise weist die zweite Kühlkammer eine endotherm lösliche Substanz zur Kühlung der zweiten Prozessierkammer auf. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, mehrere Prozessschritte in verschiedenen Kammern unter gekühlten Bedingungen durchzuführen. Die Vorrichtung kann dazu weitere Prozessierkammern aufweisen, welche jeweils über eine Membran von einer Kühlkammer mit einer endotherm löslichen Substanz getrennt sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Prozessierkammer eine erste Reaktionssubstanz, insbesondere erste Antikörper, zur Bindung an Analyten, insbesondere Zellen oder Proteinen, der Probe auf. Diese Vorlagerung der ersten Reaktionssubstanz hat den Vorteil, dass die Probe nach Eintreten in die erste Prozessierkammer unmittelbar mit der ersten Reaktionssubstanz in Kontakt treten und reagieren kann, wobei die Kühlung über das Einleiten einer Flüssigkeit in die Kühlkammer bereits davor oder erst danach ausgelöst werden kann. Insbesondere kann durch einen Ablauf der Reaktion der Reaktionssubstanz mit der Probe unter kühlen Temperaturen vorteilhafterweise eine spezifische Bindung zwischen der ersten Reaktionssubstanz, insbesondere den ersten Antikörpern, und der Probe, insbesondere den darin enthaltenen Analyten unterstützt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Prozessierkammer eine zweite Reaktionssubstanz, insbesondere zweite Antikörper, zur Bindung an Analyten, insbesondere Zellen oder Proteinen, der Probe auf. Beispielsweise dient die Bindung der zweiten Reaktionssubstanz, insbesondere der zweiten Antikörper, einer nachfolgenden Detektion von damit gebundenen Analyten der Probe, also insbesondere einer Anfärbung der Analyten.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine weitere an die erste Prozessierkammer angrenzende Kühlkammer auf. Vorzugsweise umfasst die weitere Kühlkammer auch eine endotherm löslich Substanz zur Kühlung der Prozessierkammer. Dadurch kann die Prozessierkammer vorteilhafterweise von zwei Seiten gekühlt werden, wodurch eine homogenere Kühlung erreicht wird. Bei Einstellung einer unterschiedlich starken Kühlwirkung, beispielsweise durch unterschiedliche Arten oder Mengen der endotherm löslichen Substanzen oder in die Kühlkammer eingeleiteten Flüssigkeiten, kann darüber hinaus vorteilhafterweise ein Temperaturgradient in der Prozessierkammer eingestellt werden, beispielweise für ein Hervorrufen einer Konvektionsströmung in der Prozessierkammer.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umschließt die erste Prozessierkammer die erste Kühlkammer zumindest teilweise. Dies hat den Vorteil, dass ein in der ersten Kühlkammer stattfindender isotroper Wärmeentzug vorteilhafterweise effektiv ausgenutzt werden kann. Ferner ist von Vorteil, dass hierdurch keine anderen Teile der Vorrichtung unerwünschter Weise gekühlt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung in Form eines Schichtaufbaus ausgebildet, wobei die erste Prozessierkammer eine Ausnehmung in einer ersten Schicht und die erste Kühlkammer eine Ausnehmung in einer durch die erste Membran getrennten zweiten Schicht bildet. Ein Schichtaufbau zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstellung aus. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung basierend auf bekannten Schichtaufbauten umfassend einen pneumatischen Layer und einen fluidischen Layer realisiert werden. Die erste Schicht bildet dabei einen Teil des fluidischen Layers, während die zweite Schicht umfassend die Kühlkammer entweder als Teil des pneumatischen Layer oder als Teil eines weiteren Layers, genannt thermischer Layer, realisiert werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Prozessieren einer biologischen Probe mit einer mikrofluidischen Vorrichtung, wobei die Probe in eine erste Prozessierkammer eingebracht wird, wobei in einer durch eine erste Membran getrennten ersten Kühlkammer eine endothermisch lösliche Substanz mit einer ersten Flüssigkeit für eine Kühlung der ersten Prozessierkammer aufgrund einer endothermischen Reaktion der Substanz mit der ersten Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird.
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Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der folgenden vorteilhaften Weiterbildung wird auch auf die oben ausgeführten korrespondierenden Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Probe in der ersten Prozessierkammer mit einer ersten Reaktionssubstanz, insbesondere mit ersten Antikörpern, für eine Reaktion unter Kühlung durch die erste Kühlkammer in Kontakt gebracht. Durch die Kühlung wird vorteilhafterweise eine wohldefinierte Reaktion der Probe, insbesondere von Analyten in der Probe, mit der ersten Reaktionssubstanz unterstützt. Insbesondere kann durch eine Steuerung der Kühlung einer Steuerung der Reaktion bewirkt werden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
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Es zeigen
- 1 bis 6 schematische Darstellungen zu Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 7 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Prozessierkammer 111 zur Aufnahme einer biologischen Probe oder einer Reagenz für die Probe und eine von der ersten Prozessierkammer 111 durch eine erste Membran 131 getrennte erste Kühlkammer 121, wobei die erste Kühlkammer 121 eine endotherm lösliche Substanz 150 zur Kühlung der ersten Prozessierkammer 111 aufweist. Bei der Vorrichtung 100 kann es sich insbesondere um eine mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung einer biologischen Probe handeln, beispielsweise für eine Analyse der Probe. Beispielsweise umfasst die Probe eine Körperflüssigkeit wie Blut, Sputum oder einen Abstrich. Für die Prozessierung kann die Probe auch Substanzen für eine chemische oder biologische Reaktion mit dem Analyten umfassen. Als Probe kann somit auch ein Reaktionsgemisch verstanden werden, welches insbesondere eine zu untersuchende Probe gemeinsam mit Substanzen für eine Reaktion mit der Probe umfasst. Bei der endotherm löslichen Substanz 150 kann sich insbesondere um ein sich endotherm lösendes Salz handeln, beispielsweise um einen Calciumchlorid-Hexahydrat-Komplex, kurz CaCl2·6H2O, Aluminiumnitrat oder einen Aluminium-Trichlorid-Hexahydrat Komplex. Als Materialien für die Wände der Prozessierkammer 111 und der Kühlkammer 121 eignen sich für Lab-on-a-Chip-Systeme übliche Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, beispielsweise Polycarbonate (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Cyclo-Olefin-Copolymere (COC, COP), mit einer vorzugsweisen Dicke von 0,5 bis 5 mm. Die erste Membran 131 kann als 0,005 bis 0,3 mm dicke Polymermembran ausgeführt sein und beispielsweise ein Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer wie beispielsweise thermoplastisches Polyurethan, ein Thermoplast, Polydimethylsiloxan oder eine Heißklebefolie umfassen. Ein Verbinden der ersten Membran 131 mit der Vorrichtung 100 kann dabei insbesondere über Laserschweißen erfolgen. Die Volumina der Prozessierkammer 111 und der Kühlkammer 121 können in der Mikrofluidik übliche Größen aufweisen, beispielsweise zwischen 0,005 und 50 Milliliter. Die erste Prozessierkammer 111 kann auch einen Teil oder Abschnitt eines Fluidkanals in der Vorrichtung 100 darstellen.
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In der 2a ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit der bereits in der ersten Kühlkammer 121 vorgelagerten endotherm löslichen Substanz 150 dargestellt. In 2b ist zu sehen, wie die erste Prozessierkammer 111 mit der Probe 10 gefüllt ist und 2c zeigt, wie anschließend die erste Kühlkammer 121 mit einer Flüssigkeit 20 für ein Lösen der Substanz 150 gefüllt worden ist, so dass eine Kühlung der Probe 10 in der ersten Prozessierkammer 111 durch die erste Membran 131 erfolgen kann.
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3a bis d zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, wobei die erste Prozessierkammer 111 mit einer zweiten Prozessierkammer 112 der Vorrichtung 100 fluidisch verbunden ist, optional über ein verschließbares Ventil 161, und wobei die zweite Prozessierkammer 112 durch eine zweite Membran 132 von einer zweiten Kühlkammer 122 getrennt ist. Die Prozessierkammern 111, 112, Kühlkammern 121, 122 und Membranen 131, 132 können dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein.
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In beiden Kühlkammern 121, 122 dieses Ausführungsbeispiels ist jeweils eine endotherm lösliche Substanz 150, 151 vorgelagert. 3a zeigt, dass in der ersten Prozessierkammer 111 eine erste Substanz 171 vorgelagert sein kann, beispielsweise erste Antikörper 171 für eine Bindung an Analyten der Probe. Beispielsweise kann diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Färbung von Proteinen oder Zellen einer biologischen Probe verwendet werden.
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3b bis 3d zeigen einen beispielhaften Ablauf eines solchen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. In 3b befindet sich die Probe 10 bereits ein der ersten Prozessierkammer 111. Die Probe 10 kann dabei bereits vorprozessiert worden sein, beispielsweise kann eine Waschung und/oder Detergentienbehandlung der Probe 10 vor dem Einleiten in die erste Prozessierkammer 111 erfolgt sein, vorzugsweise in anderen Kammern der Vorrichtung 100. Ferner ist in 3b gezeigt, dass die erste Kühlkammer 121 mit einer ersten Flüssigkeit 21 geflutet ist, um die Kühlreaktion mit der dort gelagerten endotherm löslichen Substanz 150 zu bewirken. Während sich die Substanz 150, beispielsweise wie oben ausgeführt ein endotherm lösliches Salz, endotherm löst, wird über die erste Membran 131 die Probe 10 abgekühlt, so dass eine spezifische Bindung der Antikörper 171 mit Analyten der Probe 10 wohldefiniert erfolgen kann. Für die spezifische Bindung sind die vorgelagerten Antikörper 171 auf die zu bindenden Analyten der Probe 10 abgestimmt. 3c zeigt, wie nach einer vorgegebenen Zeitspanne, also nach einer vorgegebenen Inkubationszeit, die Probe 10 mit den Antikörpern 171 über das geöffnete Ventil 161 in die zweite Prozessierkammer 112 befördert wird, wobei sich in der zweiten Prozessierkammer 112 eine weitere vorgelagerte Substanz 172, insbesondere zweite Antikörper 172, befinden. In 3d ist dargestellt, wie sowohl die zweite Prozessierkammer 112 mit der Probe 10 samt Antikörper 171, 172 gefüllt als auch die zweite Kühlkammer 122 mit einer zweiten Flüssigkeit 22 geflutet ist, um die zweite Prozessierkammer 112 für eine Reaktion, insbesondere eine Bindung, der Probe 10 mit den zweiten Antikörpern 172 zu kühlen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, welches sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch eine weitere an die erste Prozessierkammer 111 angrenzende Kühlkammer 122 unterscheidet. Die erste Prozessierkammer 111 ist somit von der ersten Kühlkammer 121 durch eine erste Membran 131 und von der weiteren Kühlkammer 122 durch eine zweite Membran 132 getrennt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine homogene Kühlung der ersten Prozessierkammer 111 von zwei Seiten. Ferner kann bei Bedarf ein Temperaturgradient in der ersten Prozessierkammer 111 durch Einstellung einer unterschiedlich starken Kühlwirkung, beispielsweise durch unterschiedliche Arten oder Mengen der endotherm löslichen Substanzen oder in die Kühlkammer eingeleiteten Flüssigkeiten, in den beiden Kühlkammern 121, 122 bewirkt werden.
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Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Querschnitt der in Form eines dreidimensionalen Schichtaufbaus ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Die erste Prozessierkammer 111 bildet eine Ausnehmung 111 in einer ersten Schicht 101 und die erste Kühlkammer 121 eine Ausnehmung 121 in einer durch die erste Membran 131 getrennten zweiten Schicht 101. Die erste Schicht 101 stellt dabei einen Teil des fluidischen Layers der Vorrichtung 100 dar, in welchem die in der Mikrofluidik typischen Abläufe und chemischen Prozesse ablaufen können. Bei der zweiten Schicht 102 kann es sich insbesondere um einen thermischen Layer handeln, welcher die erste Kühlkammer 131 und gegebenenfalls weitere Kühlkammern sowie optional weitere Kühl- oder Wärmefunktionalitäten umfasst, beispielsweise weitere Flüssigkeiten oder Kühlmittel. Alternativ kann die erste Kühlkammer 121 auch im pneumatischen Layer, auch Kontrolllayer genannt, angeordnet sein. Wie in 5 dargestellt, kann die erste Kühlkammer 121 an einer zu kühlenden Stelle durch die erste Membran 131 von der ersten Schicht 101, insbesondere von der ersten Prozessierkammer 111, getrennt sein. Durch eine Flutung des thermischen Layers kann somit die Kühlung ausgelöst werden. 5 zeigt dabei die Vorrichtung 100 in einem Zustand, in welchem die erste Prozessierkammer 111 mit einer Probe 10 vollständig gefüllt und die erste Kühlkammer 121 mit einer ersten Flüssigkeit 21 bereits geflutet ist.
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6a und 6b zeigen beispielhaft in einem Querschnitt beziehungsweise in einer Draufsicht, wie die erste Schicht 101, also der fluidische Layer, und die zweite Schicht 101 mit der ersten Kühlkammer dreidimensional ineinander integriert werden können. Wie im Ausführungsbeispiel zu 4 gezeigt, können sich Prozessierkammer 111 und Kühlkammer 121 gegenseitig umschließen, in diesem Beispiel umschließt die erste Prozessierkammer die erste Kühlkammer, wie in 6a dargestellt. In 6b ist gezeigt, wie eine Unterseite der ersten Kühlkammer 121 flächenmäßig an eine Oberseite der ersten Prozessierkammer 111 angepasst sein kann, im diesem Beispiel in Form einer kreisförmig abgeschlossenen Fläche.
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7 zeigt ein Flussdiagramm 500 zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Prozessieren einer biologischen Probe 10 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 100, beispielsweise mit einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens 500 wird die Probe 10 in die erste Prozessierkammer 111 eingebracht. In einem zweiten Schritt 502 wird in der durch die erste Membran 131 getrennten ersten Kühlkammer 121 die endothermisch lösliche Substanz 150 mit der ersten Flüssigkeit 20 für eine Kühlung der ersten Prozessierkammer 111 aufgrund einer endothermischen Reaktion der Substanz 150 mit der Flüssigkeit 20 in Kontakt gebracht. Alternativ kann der zweite Schritt 502 vor oder gleichzeitig mit dem ersten Schritt 501 erfolgen, insbesondere um die erste Prozessierkammer 111 vorzukühlen. In einem optionalen dritten Schritt 503 wird die Probe 10 in eine mit der ersten Prozessierkammer 111 fluidisch verbunden zweiten Prozessierkammer 112 der Vorrichtung 100 befördert, beispielsweise in einer Vorrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3. In einem optionalen vierten Schritt 504 wird die durch eine zweite Membran 132 von der zweiten Prozessierkammer 112 getrennte zweite Kühlkammer 122 mit einer zweiten Flüssigkeit 20 gefüllt, um eine Kühlreaktion mit einer in der zweiten Kühlkammer 122 gelagerten endotherm löslichen Substanz 151 auszulösen. Der vierte Schritt 504 kann dabei auch vor oder gleichzeitig mit dem dritten Schritt 503 ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028012 A1 [0001]
