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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem Verschluss. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zustandskontrolle des Verschlusses der mikrofluidischen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Für verschiedene Anwendungsbereiche kommen mikrofluidische Vorrichtungen, wie beispielsweise Mikrofluidikchips, zum Einsatz. Derartige, in der Regel aus Kunststoff ausgebildete, fluidische Vorrichtungen können beispielsweise für analytische, präparative oder diagnostische Anwendungen in der Medizin eingesetzt werden. Die mikrofluidischen Vorrichtungen können beispielsweise in Form eines sogenannten Lab-on-Chip-Systems verwendet werden, wobei die Funktionalitäten eines Labors gewissermaßen im Scheckkartenformat zusammengefasst werden. Die mikrofluidische Vorrichtung bildet dabei eine Kartusche, in der verschiedene Analysebauteile, Behandlungsbauteile, Sensoren und anderes integriert werden, um komplexe biochemische Vorgänge oder Ähnliches in der fluidischen Vorrichtung ablaufen zu lassen, welche auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten ist. In der Regel bestehen derartige mikrofluidische Vorrichtungen aus strukturierten Kunststoffträgerplatten, die ein Kanalsystem, verschiedene erforderliche Reaktionskammern und andere funktionale Elemente, wie z. B. Ventile und Filter, integrieren. Derartige Systeme eignen sich in besonderer Weise für automatisierte Anwendungen, sodass sie beispielsweise für eine zeitnahe Diagnostik in Arztpraxen oder Krankenhäusern eingesetzt werden können.
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Neben Fluidikkanälen, in denen das Reagenz transportiert wird, ist zumindest ein Pneumatikkanal vorgesehen, durch den mittels durchgepumpter Luft in der mikrofluidischen Vorrichtung Ventile gesteuert werden, welche die Fluidikkanäle schließen oder freigeben, um das Reagenz gezielt durch das Kanalsystem zu leiten. Die mikrofluidische Vorrichtung wird als Kartusche in ein Analysegerät, kommerziell als Vivalytic® bekannt, eingeführt. In dem Analysegerät wird eine Pumpe über eine Ventilbank an den zumindest einen Pneumatikkanal angeschlossen und gezielt Druck in dem zumindest einen Pneumatikkanal aufgebaut, um die Ventile zu steuern und somit eine Analyse durchzuführen.
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Herkömmlicherweise werden die Kartuschen im Vorhinein mit den zur Untersuchung benötigen Reagenzien befüllt. Es kann aber auch gewünscht sein, die Kartusche kurzfristig, vor Ort mit dem Reagenz zu bestücken. Hierfür kann die mikrofluidische Vorrichtung eine Aufnahmekammer (auch als Vorlagerungskammer bezeichnet) mit einer Öffnung in die Umgebung aufweisen, die an einer Außenseite der Kartusche angeordnet ist und über die das Reagenz von außen in die Aufnahmekammer eingefüllt werden kann. Vorzugsweise ist die Aufnahmekammer nahe an dem entsprechenden Analysebauteil angeordnet, um den Verlust von Reagenzmittel möglichst gering zu halten. Besonders bei lyophilisierten Reagenzien (auch als Bead bezeichnet) ist die Aufnahmekammer mit der Öffnung vorteilhaft, da in diesem Fall auf einen Transport zur Vorlagerungskammer, in der das Bead gelöst wird, und auf einen Rücktransport verzichtet werden kann, wodurch der Verlust von Reagenzmittel reduziert wird. Ein Verlust von Reagenzmittel würde zu einer veränderten Konzentration führen, was die Analyse verfälschen würde.
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Zur Nutzung der Kartusche, insbesondere im Analysegerät, muss die Öffnung der Aufnahmekammer dicht verschlossen werden. Hierfür ist ein Verschluss vorgesehen, der an der Außenseite der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet ist. Der Verschluss ist eingerichtet, einen Bereich der mikrofluidischen Vorrichtung, in dem die Öffnung angeordnet ist, zur Umgebung hin abzuschließen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine mikrofluidische Vorrichtung vorgesehen, die eine Aufnahmekammer aufweist. Die Aufnahmekammer weist eine Öffnung in die Umgebung auf, die an einer Außenseite der Kartusche angeordnet ist. Die Aufnahmekammer ist über die Öffnung von außen zugänglich, sodass ein Reagenz in die Aufnahmekammer eingefüllt werden kann. Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung einen Verschluss auf, der an der Außenseite der mikrofluidischen Vorrichtung angeordnet ist. Der Verschluss ist eingerichtet, einen Bereich der mikrofluidischen Vorrichtung, in dem die Öffnung angeordnet ist, zur Umgebung hin abzuschließen. Der Verschluss kann im Wesentlichen jede Form aufweisen und größer als die Öffnung sein oder in Form und Größe direkt in die Öffnung passen. Damit verschließt der Verschluss die Öffnung zur Umgebung hin, sodass die fluidische Probe nicht austreten kann. Es können verschiedene Arten von Verschlüssen vorgesehen sein, wie vorzugsweise ein Deckel oder beispielsweise eine Verschlusskappe, ein Stopfen, eine Klebefolie oder anderes. Der Verschluss kann durch einen Klappmechanismus, wie z. B. ein Scharnier, oder mittels eines Schiebemechanismus zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand bewegt werden.
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Darüber hinaus weist die mikrofluidische Vorrichtung einen Pneumatikkanal auf, der innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung verläuft. In dem Pneumatikkanal wird Luft geführt und es kann darin ein Überdruck oder ein Unterdruck aufgebaut werden. Der Pneumatikkanal weist ein Ende auf und ist so angeordnet, dass das Ende in dem vom Verschluss abgeschlossenen Bereich liegt. Der Verschluss schließt folglich im geschlossenen Zustand gleichzeitig das Ende des Pneumatikkanals und die Öffnung der Aufnahmekammer ab. Anhand des im Pneumatikkanal aufgebauten Überdrucks bzw. Unterdrucks kann festgestellt werden, ob der Verschluss gasdicht schließt. Wenn der Verschluss den Bereich mit der Öffnung abschließt, wird dadurch auch das Ende des Pneumatikkanals abgedichtet, sodass keine Luft aus- und/oder eintreten kann und der vorbestimmte Überdruck bzw. Unterdruck aufrechterhalten wird. Es wird hierzu auch auf untenstehendes Verfahren verwiesen. Dies bedeutet, dass, wenn der vorbestimmte Überdruck bzw. Unterdruck im Pneumatikkanal aufrechterhalten wird, der Verschluss den gesamten Bereich - also sowohl den Pneumatikkanal als auch die Öffnung der Aufnahmekammer - dicht verschließt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sichergestellt werden kann, dass der Verschluss die Öffnung dicht verschließt, wodurch das Austreten des Reagenzes verhindert wird. Das Austreten von Reagenz könnte zu einer Kontamination der mikrofluidischen Vorrichtung, des Analysegeräts und/oder der Umgebung führen, die potentiell gefährlich für eine Person ist.
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Vorteilhafterweise ist der Pneumatikkanal bereits Teil der mikrofluidischen Vorrichtung und wird verwendet, um Ventile zu steuern. Optional kann sich von dem bereits vorhandenen Pneumatikkanal ein Nebenkanal mit dem obengenannten Ende abzweigen. Dies bietet den Vorteil, dass ein bereits existierender Kanal verwendet werden kann und dieser, wenn überhaupt, nur durch den Nebenkanal erweitert werden muss, womit eine einfache Herstellung ermöglich wird.
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Vorzugsweise weist der Pneumatikkanal ein anderes Ende auf, über das eine Pumpe angeschlossen werden kann. Die Pumpe kann beispielsweise Teil eines Analysegeräts sein. Mittels der Pumpe wird der Überdruck bzw. der Unterdruck im Pneumatikkanal aufgebaut.
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Die mikrofluidische Vorrichtung kann auch mehrere Pneumatikkanäle aufweisen. Diese sind so angeordnet, dass jeweils ein Ende des Pneumatikkanals in dem vom Verschluss abgeschlossenen Bereich, an unterschiedlichen Positionen zueinander liegt. Die mehreren Pneumatikkanäle sind vorzugsweise wie oben beschrieben ausgebildet. Durch die mehreren Enden der Pneumatikkanäle an unterschiedlichen Positionen in dem vom Verschluss verschlossenen Bereich, kann ein verkeilter Verschluss festgestellt werden. Bei einem verkeilten Verschluss, insbesondere wenn es sich um einen Deckel handelt, werden einige Pneumatikkanäle verschlossen, sodass diese den vorbestimmten Überdruck bzw. Unterdruck halten, wohingegen der Überdruck bzw. Unterdruck sich in anderen Pneumatikkanälen abbaut. Handelt es sich bei dem Verschluss um eine Folie, die aufgeklebt wird, kann durch die mehreren Pneumatikkanäle festgestellt werden, ob die Folie an allen vorgesehenen Stellen richtig klebt und die Öffnung verschließt. Außerdem kann durch die Verwendung von mehreren Pneumatikkanälen bei allen Formen von Verschlüssen die Differenz zwischen vorbestimmten Überdruck bzw. Unterdruck und tatsächlichem Überdruck bzw. Unterdruck erhöht werden.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Zustandskontrolle eines Verschlusses einer mikrofluidischen Vorrichtung, wie oben beschrieben, vorgeschlagen. Es wird eine Pumpe an einem anderen Ende des Pneumatikkanals - also an einem Ende, das nicht im vom Verschluss abgeschlossenen Bereich liegt - angeschlossen. Das andere Ende des Pneumatikkanals ist vorzugsweise bereits eingerichtet, mit der Pumpe oder einer Druckversorgung verbunden zu werden und weist vorteilhaft entsprechende Anschlüsse auf. Mittels der Pumpe wird ein Überdruck oder ein Unterdruck im Pneumatikkanal erzeugt. Anhand des im Pneumatikkanal aufgebauten Überdrucks bzw. Unterdrucks kann festgestellt werden, ob der Verschluss gasdicht schließt. Wenn der Verschluss den Bereich mit der Öffnung abschließt, dann wird dadurch auch das Ende des Pneumatikkanals abgedichtet, sodass keine Luft aus- und/oder eintreten kann und der vorbestimmte Überdruck bzw. Unterdruck aufrechterhalten wird. Dies bedeutet, dass, wenn der vorbestimmte Überdruck bzw. Unterdruck im Pneumatikkanal aufrechterhalten wird, der Verschluss den gesamten Bereich - also sowohl den Pneumatikkanal als auch die Öffnung der Aufnahmekammer - dicht verschließt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sichergestellt werden kann, dass der Verschluss die Öffnung verschließt, wodurch das Austreten des Reagenzes verhindert wird. Das Auftreten von Reagenz könnte zu einer Kontamination der mikrofluidischen Vorrichtung, des Analysegeräts und/oder der Umgebung führen, die potentiell gefährlich für eine Person ist.
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Die mikrofluidische Vorrichtung kann zur Messung in ein Analysegerät eingeführt werden. Vorzugsweise ist die oben beschriebene Pumpe eine Pumpe des Analysegeräts, die an das andere Ende des Pneumatikkanals angeschlossen wird, um den Überdruck oder den Unterdruck im Pneumatikkanal zu erzeugen.
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Um den Überdruck bzw. den Unterdruck zu überwachen, kann zumindest ein Leistungsparameter der Pumpe ermittelt werden, der abhängig vom erzeugten Druck im Pneumatikkanal ist. Wenn der Verschluss teilweise geöffnet ist, benötigt die Pumpe eine höhere Leistung, um den Überdruck bzw. den Unterdruck aufrecht zu erhalten. Aus dem Zustand des Leistungsparameters wird dann der Zustand des Verschlusses ermittelt - also ein dicht verschlossener Verschluss oder ein (teilweise) offener Verschluss bzw. undichter Verschluss.
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Als bevorzugter Leistungsparameter wird ein an der Pumpe anliegender elektrischer Strom angesehen, der gemessen werden kann. Wenn der Verschluss (teilweise) geöffnet ist, benötigt die Pumpe eine höhere Leistung, um den Überdruck bzw. den Unterdruck aufrecht zu erhalten, und somit auch einen höheren elektrischen Strom. Liegt der an der Pumpe anliegende elektrische Strom unterhalb eines für die Pumpe definierten Strom-Schwellenwerts, wird ein geschlossener Verschluss ermittelt. Liegt der elektrische Strom oberhalb des definierten Strom-Schwellenwerts, wird ein offener Verschluss ermittelt.
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Alternativ kann direkt der Druck am pumpenseitigen Ende des Kanals gemessen werden. Dies ist von außen möglich. Insbesondere wird der Druck in einer Ventilbank gemessen, die mit der Pumpe verbunden ist und die an den Pneumatikkanal angeschlossen wird. Die Ventilbank ist vorzugsweise Teil des Analysegeräts und wird, wenn die mikrofluidische Vorrichtung in das Analysegerät eingefahren wird, direkt auf den Pneumatikkanal aufgesetzt. Wenn sich der gemessene Druck um mehr als einen Druck-Schwellenwert ändert - also wenn der Überdruck um mehr als den Druck-Schwellenwert absinkt oder wenn der Unterdruck um mehr als den Druck-Schwellenwert ansteigt -, wird ein (teilweise) offener Verschluss ermittelt. Optional können für den Überdruck und für den Unterdruck unterschiedliche Druck-Schwellenwerte vorgesehen sein.
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Das beschriebene Verfahren kann auch auf oben beschriebenen mehreren Pneumatikkanäle angewendet werden. Dabei wird vorzugsweise für jeden Pneumatikkanal separat der Überdruck bzw. Unterdruck ermittelt. Durch Vergleich der erhaltenen Ergebnisse kann, insbesondere für den Fall, dass der Verschluss ein Deckel ist, auf einen verkeilten Verschluss geschlossen werden. Handelt es sich bei dem Verschluss um eine Folie, die aufgeklebt wird, kann durch die mehreren Pneumatikkanäle festgestellt werden, ob die Folie an allen vorgesehenen Stellen richtig klebt und die Öffnung verschließt. Außerdem kann durch die Verwendung von mehreren Pneumatikkanälen bei allen Formen von Verschlüssen die Differenz zwischen vorbestimmten Überdruck bzw. Unterdruck und tatsächlichem Überdruck bzw. Unterdruck erhöht werden.
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Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
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Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, die Zustandskontrolle des Verschlusses durchzuführen. Vorzugsweise ist das elektronische Steuergerät Teil des Analysegeräts.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung.
- 2 zeigt eine Seitenansicht es Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung.
- 3 zeigt ein Diagramm des an einer Pumpe eines Analysegeräts anliegenden elektrischen Stroms über der Zeit, mit dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zustandskontrolle eines Verschlusses durchgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung in einer Draufsicht (1) und in der Seitenansicht (2). Die mikrofluidische Vorrichtung ist als Lab-on-Chip in Form einer Kartusche 100 ausgebildet. Die mikrofluidische Vorrichtung weist mehrere Reaktionskammern 110 und ein Kanalsystem 120, das die Reaktionskammern 110 verbindet, auf (siehe 1). Zwei der Reaktionskammern sind in diesem Ausführungsbeispiel als Aufnahmekammern 111, 112 ausgebildet, in die ein lyophilisiertes Reagenz (Beat) eingelegt werden kann (nicht gezeigt). Die Aufnahmekammern 111, 112 weisen hierfür eine Öffnung zur Außenseite, in diesem Ausführungsbeispiel zur Oberseite, der Kartusche 100 auf. Es ist ein Deckel 130 vorgesehen, der in diesem Ausführungsbeispiel als flache Scheibe ausgebildet ist, die ohne Überstand in eine Vertiefung 101 der Kartusche 100 eingesetzt wird. Die Vertiefung 101 ist oberhalb der Aufnahmekammern 111, 112 an einer Außenseite der Kartusche 100 angeordnet und erstreckt sich über beide Aufnahmekammern 111, 112 hinweg. Der Deckel 130 wird in die Vertiefung 101 eingesetzt und verschließt somit im verschlossenen Zustand die Öffnungen der Aufnahmekammern 111, 112.
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Darüber hinaus ist ein Pneumatikkanal 140 innerhalb der Kartusche 100 vorgesehen. Der Pneumatikkanal 140 endet mit einem ersten Ende 141 in der Vertiefung 101 an der Außenseite der Kartusche 100. Wird der Deckel 130 in die Vertiefung 101 eingesetzt, so verschließt er neben den Aufnahmekammern 111, 112 auch das erste Ende 141 des Pneumatikkanals 140. Ein zweites Ende 142 des Pneumatikkanals 140 ist ausgebildet, an eine Druckversorgung angeschlossen zu werden, wofür das zweite Ende 142 entsprechende Anschlüsse aufweist. Der Pneumatikkanal 140 weist außer den beschriebenen Enden 141, 142 keine weiteren Enden oder Öffnungen zur Umgebung auf. Aus Gründen der Übersicht ist hier nur ein Pneumatikkanal 140 dargestellt. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch mehrere Pneumatikkanäle in einer Kartusche 100 vorgesehen sein, deren erste Enden an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind und jeweils vom Deckel 130 verdeckt werden.
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Die mikrofluidische Vorrichtung wird zur Analyse in ein nicht dargestelltes Vivalytic®-Analysegerät eingeführt. Dort wird eine Ventilbank, die mit einer Pumpe verbunden ist, mit einer Dichtmatte auf die Kartusche 100 gepresst und dabei wird eine Ventilöffnung der Ventilbank mit dem zweiten Ende 142 des Pneumatikkanals 140 verbunden. Bei mehreren Pneumatikkanälen ist je eine Ventilöffnung der Ventilbank einem der zweiten Enden zugeordnet. Die Pumpe baut einen Überdruck in der Ventilbank auf, der dann über die Ventilöffnungen in den Pneumatikkanal 140 geleitet wird. Anstelle des Überdrucks kann auch ein Unterdruck verwendet werden. Der Überdruck kann sich nur über das erste Ende 141 abbauen. Wenn der Deckel 130 in die Vertiefung 101 eingesetzt wird und dabei die Aufnahmekammern 111, 112 dicht verschließt, so dichtet er gleichzeitig auch das erste Ende 141 des Pneumatikkanals 140 ab und der Überdruck kann nicht abgebaut werden. Für den Fall, dass der Deckel 130 hingegen nicht dicht schließt, kann der Überdruck über das erste Ende 141 abgebaut werden. Dadurch muss die Pumpe eine höhere Leistung aufwenden, um den Überdruck im Pneumatikkanal 140 aufrecht zu erhalten. Ein an der Pumpe anliegender elektrischer Strom I hängt direkt mit ihrer aufgebrachten Leistung zusammen und wird gemessen.
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3 zeigt ein Diagramm für zwei Verläufe 201, 202 des elektrischen Stroms I, der an der Pumpe anliegt, über die Zeit t. Nach einem anfänglichen Anstieg und einer Spitze flacht der elektrische Strom I in beiden Fällen im Wesentlichen auf ein Plateau ab. Für den ersten Verlauf 201 sinkt der elektrische Strom I dabei unter einen Strom-Schwellenwert SI. Somit bringt die Pumpe eine geringere Leistung auf und wie oben beschrieben wird ein dicht geschlossener Deckel 130 erkannt. Für den zweiten Verlauf 202 liegt der elektrische Strom I oberhalb des Strom-Schwellenwerts SI. Die Pumpe muss eine höhere Leistung aufbringen, woraus sich schließen lässt, dass der Deckel 130 nicht dicht schließt. In diesem Fall kann ein Warnhinweis ausgegeben werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann anstelle eines Leistungsparameters der Pumpe, wie dem elektrischen Strom I, auch direkt der Druck in der Ventilbank gemessen werden. Fällt der Überdruck während der Messung um mehr als einen Druck-Schwellenwert ab, wird ein offener Deckel 130 ermittelt. Andernfalls wird ein geschlossener Deckel 130 festgestellt.
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In den Ausführungsbeispielen mit mehreren Pneumatikkanälen, deren ersten Enden jeweils vom Deckel 130 abgedeckt werden, kann für jeden Pneumatikkanal separat ein Überdruck aufgebaut werden und ein Leistungsparameter der Pumpe ermittelt werden oder direkt der Druck gemessen werden (siehe oben). Aus den gemessenen Daten kann festgestellt werden, ob der Deckel verkantet ist.
