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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reaktionskammerarray für eine mikrofluidische Vorrichtung. Weiterhin betrifft sie eine mikrofluidische Vorrichtung, welche das Reaktionskammerarray aufweist.
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Stand der Technik
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Bei einer isothermalen Nukleinsäure-Amplifikation in einer mikrofluidischen Vorrichtung werden in Vertiefungen (Wells) eines Reaktionskammerarrays eingetrocknete Reagenzien vorgelegt. Dieses Reaktionskammerarray, welches üblicherweise aus Silizium besteht, wird mit einer Reaktionsmischung benetzt, wodurch die Vertiefungen befüllt werden. Dabei werden die vorgelagerten Reagenzien in der Reaktionsmischung aufgelöst. Schließlich werden die Vertiefungen mit einem Öl gegeneinander isoliert und so versiegelt. Durch den Transport der Reaktionsmischung über das gesamte Reaktionskammerarray werden die vorgelagerten Reagenzien allerdings teilweise aus den Vertiefungen ausgespült und in andere Vertiefungen transportiert. Durch diese Kontamination werden Messergebnisse unbrauchbar gemacht, sodass es oftmals nicht gelingt, mehrere Analyten, wie beispielsweise mehrere unterschiedliche Viren nebeneinander in unterschiedlichen Vertiefungen zu detektieren.
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Offenbarung der Erfindung
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In einem ersten Aspekt ist ein Reaktionskammerarray für eine mikrofluidische Vorrichtung vorgesehen, dass einen Grundkörper aufweist, der insbesondere aus einem Kunststoff bestehen kann. Dadurch kann auf die Verwendung eines Siliziumchips als Grundkörper des Reaktionskammerarrays verzichtet werden.
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In der Mitte des Grundkörpers geht eine Zuflussöffnung durch diesen hindurch. Mehrere Reaktionskammern sind als Ausnehmungen in dem Grundkörper ausgeführt. Sie sind zu einer Seite des Grundkörpers hin offen und zur gegenüberliegenden Seite hin geschlossen. Die Ausnehmungen sind radial um die Einleitungsöffnung herum angeordnet. Eine Flüssigkeit, die von der Unterseite des Reaktionskammerarrays durch die Zuflussöffnung geleitet wird, kann an dessen Oberseite aus der Zuflussöffnung austreten und sich von dort aus gleichmäßig auf alle Reaktionskammern verteilen, ohne dass es dabei zu einer Querkontamination zwischen den Reaktionskammern kommen könnte. Im Vergleich zu einem Reaktionskammerarray aus Silizium mit mehreren Vertiefungen können die Reaktionskammern dieses Reaktionskammerarrays mit einem größeren Volumen von insbesondere jeweils mindestens 0,5 µl ausgeführt werden.
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Der Grundkörper weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Aufgrund der radialen Anordnung der Reaktionskammern um die Zuflussöffnung würden andere Querschnitte des Grundköpers die Querschnittsfläche und dem Raumbedarf des Reaktionskammerarrays in der mikrofluidischen Vorrichtung vergrößern, ohne hierdurch ein größeres Reaktionskammervolumen realisieren zu können. Es ist bevorzugt, dass die Reaktionskammern einen dreieckigen Querschnitt aufweisen. Dabei weist insbesondere eine Spitze des Dreiecks auf die Mitte des Grundkörpers und damit auf die Zuflussöffnung hin. Dabei muss die von der Mitte abgewandte Seite des Dreiecks nicht gerade verlaufen, sondern kann auch gekrümmt sein, sodass das Dreieck die Form eines Tortenstücks aufweist.
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In einem zweiten Aspekt ist eine mikrofluidische Vorrichtung vorgesehen, welche eine Fluidikschicht, eine Pneumatikschicht und eine zwischen der Fluidikschicht und der Pneumatikschicht angeordnete Elastomermembran aufweist. Unter einer Fluidikschicht wird dabei eine Schicht verstanden, welche dazu vorgesehen und eingerichtet ist, um Reaktionsflüssigkeiten und/oder zu analysierende Flüssigkeiten zu transportieren. Unter einer Pneumatikschicht wird eine Schicht verstanden, welche dazu vorgesehen und eingerichtet ist, um den Strom der Flüssigkeiten in der Fluidikschicht zu steuern, indem die Elastomermembran in die Fluidikschicht hinein oder in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt wird. Dies kann erreicht werden, indem über ein an die Pneumatikschicht angeschlossenes Pneumatikmanifold lokal ein Überdruck oder ein Unterdruck in der Pneumatikschicht erzeugt wird.
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In der Fluidikschicht ist ein Reaktionskammerarray gemäß dem ersten Aspekt angeordnet. Dabei sind die offenen Seiten der Reaktionskammern der Elastomermembran zugewandt und sind durch die Elastomermembran verschlossen. Die Elastomermembran kann teilweise mit dem Reaktionskammerarray verschweißt sein. Die Anordnung des Reaktionskammerarrays kann insbesondere erfolgen, indem dieses vor einem Verbinden der Fluidikschicht und der Elastomermembran mittels eines Pick-and-Place-Verfahrens in der Fluidikschicht angeordnet wird.
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Geschlossene Seiten der Reaktionskammern sind vorzugsweise an einem transparenten Fenster der Fluidikschicht angeordnet, welches mindestens einem optischen Sensor zugewandt ist. Unter transparent wird dabei insbesondere verstanden, dass eine optische Transmission durch das Fenster in allen vom optischen Sensor erfassten Wellenlängen mindestens 80 % beträgt. Der Grundköper des Reaktionskörperarrays weist vorzugsweise denselben Brechungsindex wie das transparente Fenster auf und besteht besonders bevorzugt aus demselben Material wie das transparente Fenster. Diese Ausführung der mikrofluidischen Vorrichtung ermöglicht es, mittels des optischen Sensors durch das transparente Fenster und die geschlossenen Seiten der Reaktionskammern hindurch, eine Fluoreszenz in den Reaktionskammern zu detektieren, die beispielsweise durch eine optische Anregung einer darin enthaltenen Probe hervorgerufen wird.
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Um in platzsparender Weise eine Reaktionslösung in die Zuflussöffnung einzuleiten, ist es bevorzugt, dass die mikrofluidische Vorrichtung eine Zuflussleitung aufweist, die zwischen dem Reaktionskammerarray und dem Fenster verläuft. Grundsätzlich könnte die Zuflussleitung dabei zwischen dem Fenster und einer Reaktionskammer verlaufen. Allerdings kann es hierbei zu unerwünschten Brechungen von Licht an einer Phasengrenze zwischen dem Fenster beziehungsweise der Reaktionskammer und einer in der Zuflussleitung enthaltenen Flüssigkeit oder in der Zuflussleitung enthaltener Luft kommen. Vorzugsweise verläuft die Zuflussleitung daher zwischen dem Fenster und einer Trennwand, die zwei Reaktionskammern des Reaktionskammerarrays trennt.
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Ein Abschnitt der Elastomermembran ist vorzugsweise eingerichtet, um so in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt zu werden, dass eine fluidische Verbindung zwischen der Zulauföffnung und allen Reaktionskammern geöffnet wird. Dieser Abschnitt der Elastomermembran fungiert somit als pneumatisches Ventil, über welches der Zufluss in die Reaktionskammern gesteuert werden kann. Da die fluidische Verbindung zwischen der Zulauföffnung in den Reaktionskammern nach Einleiten in Reaktionsflüssigkeit wieder verschlossen werden kann, ist es nicht erforderlich, ein Öl zum Versiegeln der Reaktionskammern in die mikrofluidische Vorrichtung einzuleiten.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine Abflussleitung in der Fluidikschicht um den Grundkörper herum verläuft. Dies ermöglicht es, die Reaktionskammern durchzuspülen und die Spülflüssigkeit aller Reaktionskammern gesammelt abzuführen, ohne dass sie dabei in eine andere Reaktionskammer zurückströmen könnte. Die Abflussleitung kann auch zur Entlüftung beim Befüllen der Reaktionskammern verwendet werden.
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Hierzu ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass pro Reaktionskammer jeweils ein Abschnitt der Elastomermembran eingerichtet ist, um so in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt zu werden, dass eine fluidische Verbindung zwischen der Ablauföffnung und der jeweiligen Reaktionskammer geöffnet wird. Dies kann grundsätzlich so realisiert werden, dass jede Reaktionskammer über ein individuell steuerbares Ablaufventil verfügt, welches es ermöglicht, ein unerwünschtes Ausströmen einer Reaktionsflüssigkeit aus der jeweiligen Reaktionskammer zu verhindern. Da das Reaktionskammerarray allerdings dazu vorgesehen ist, dass alle Reaktionskammern gleichzeitig befüllt werden, ist es bevorzugt, dass diese Abschnitte der Elastomermembran dazu eingerichtet sind, gemeinsam in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt zu werden. Hierzu kann insbesondere ein ringförmiges Pneumatikventil vorgesehen sein.
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Die mikrofluidische Vorrichtung ist bevorzugt für die Durchführung einer in den Reaktionskammern eingerichtet, besonders bevorzugt einer isothermalen Nukleinsäure-Amplifikation. Hierzu sind insbesondere in allen Reaktionskammern eingetrocknete Reagenzien vorgelegt, um in allen Reaktionskammern unterschiedliche chemische Reaktionen durchführen zu können und so beispielsweise Paralleltests auf das Vorliegen mehrerer unterschiedlicher Viren durchführen zu können.
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Insbesondere ist die mikrofluidische Vorrichtung als Kartusche für eine Analysevorrichtung ausgeführt. Dabei sind die Fluidikschicht, die Elastomermembran, die Pneumatikschicht und das Reaktionskammerarray in der Kartusche angeordnet, während das Pneumatikmanifold und der Sensor in der Analysevorrichtung angeordnet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Reaktionskammerarrays gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3 zeigt eine andere Querschnittdarstellung der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß 2.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Eine Reaktionskammerarray 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Es weist einen Grundkörper 11 mit kreisförmigem Querschnitt auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus transparentem Polycarbonat besteht. In der Mitte des Grundkörpers 11 geht eine zwölfeckige Zuflussöffnung 12 durch diesen hindurch. Zwölf Reaktionskammern 13 mit einem Volumen von jeweils 0,75 µl sind radial um die Zuflussöffnung 12 herum angeordnet. Sie sind zur Oberseite des Reaktionskammerarrays 10 hin offen und zu seiner Unterseite hin geschlossen. Jede Reaktionskammer 13 weist einen dreieckigen Querschnitt auf, wobei eine Spitze des Dreiecks zu der Zuflussöffnung 12 hinweist. Die Reaktionskammern 13 werden durch Trennwände 14 voneinander getrennt, die sich jeweils von der Zuflussöffnung 12 bis zu einem Rand 15 erstrecken. Die Anordnung der Trennwände 14 entspricht somit der Anordnung der Speichen eines Wagenrades, wobei die Zuflussöffnung 12 der Radnabe und der Rand 15 der Lauffläche des Rades entspricht. Die Seiten des zwölfeckigen Querschnitts der Zuflussöffnung 12 sind jeweils den Trennwänden 14 zugewandt und ihre Ecken sind jeweils einer Ecke des Querschnitts einer der Reaktionskammern 13 zugewandt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer mikrofluidischen Vorrichtung 16 gemäß der Erfindung, die zur Durchführung einer isothermalen Nukleinsäure-Amplifikation in den Reaktionskammern 13 eingerichtet ist, ist in den 2 und 3 dargestellt. Die mikrofluidische Vorrichtung 16 weist eine Fluidikschicht 20 auf, die durch eine Elastomermembran 30 von einer Pneumatikschicht 40 getrennt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das Substrat der Fluidikschicht 20 und der Pneumatikschicht 40 jeweils aus demselben Polycarbonat wie der Grundkörper 11 des Reaktionskammerarrays 10. Die Elastomermembran 30 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus thermoplastischem Polyurethan. Das Reaktionskammerarray 10 ist so in der Fluidikschicht 20 angeordnet, dass seine Unterseite, auf welcher die Reaktionskammern 13 geschlossen sind, auf einem transparenten Fenster 21 ruht, während seine Oberseite, auf der die Reaktionskammern 13 offen sind, an der Elastomermembran 30 anliegt, sodass diese die Reaktionskammern 13 verschließt. Ein optischer Sensor 50 ist an dem transparenten Fenster 21 angeordnet. Er ist eingerichtet, um Fluoreszenzlicht, welches in den Reaktionskammern 13 emittiert wird, durch den Boden der Reaktionskammern 13 und das Fenster 21 hindurch zu detektieren.
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2 zeigt ein Schnitt durch die mikrofluidische Vorrichtung 16 entlang zwei Trennwänden 14a, 14b. Zwischen dem Fenster 21 und einer der Trennwände 14a verläuft eine Zuflussleitung 22. Diese mündet an der Unterseite des Reaktionskammerarrays 10 in der Zuflussöffnung 12. Eine durch die Zuflussleitung 22 geleitete Reaktionsflüssigkeit kann somit durch die Zuflussöffnung 12 strömen und bis zur Oberseite des Reaktionskammerarrays 10 aufsteigen. Dort wird sie durch einen Abschnitt 31 der Elastomermembran 30 gestoppt. In der Pneumatikschicht 40 ist ein erstes pneumatisches Ventil 41 vorgesehen, durch welches dieser Abschnitt 31 der Elastomermembran 30 in die Pneumatikschicht 40 hinein ausgelenkt werden kann. Dadurch kann eine fluidische Verbindung zwischen der Zuflussöffnung 12 und den Reaktionskammern 13 geöffnet werden.
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3 zeigt eine andere Schnittdarstellung, durch die mikrofluidische Vorrichtung 16 entlang zwei Reaktionskammern 13a, 13b. Es ist erkennbar, dass bei Öffnen des ersten pneumatischen Ventils 41 die Reaktionsflüssigkeit durch die Zuflussöffnung in die beiden Reaktionskammern 13a, 13b einströmen kann. Dabei strömt sie in gleicher Weise in die zehn weiteren Reaktionskammern 13, sodass das gesamte Reaktionskammervolumen von 9 µl befüllt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die mikrofluidische Vorrichtung 16 ein Reaktionsflüssigkeitsreservoir von mindestens 20 µl aufweist. Um sicherzustellen, dass die Reaktionskammern wirklich vollständig befüllt sind, kann dabei ein teilweises Durchspülen der Reaktionskammern vorgesehen werden. Hierzu ist eine Abflussleitung 23 vorgesehen, die ringförmig um das Reaktionskammerarray 10 herumläuft. Ein Ausströmen von Reaktionsflüssigkeit aus den Reaktionskammern 13 in die Ablaufleitung 23 wird jedoch zunächst durch die Elastomermembran 30 verhindert. Für die beiden dargestellten Reaktionskammern 13a, 13b ist gezeigt, dass die Abschnitte 32a, 32b der Elastomermembran 30, welche diese beiden Reaktionskammern 13a, 13b gegenüber der Abflussleitung 23 versiegeln, mittels eines ringförmigen zweiten pneumatischen Ventils 42 gleichzeitig in die Pneumatikschicht 40 ausgelenkt werden können, sodass eine fluidische Verbindung der beiden Reaktionskammern 13a, 13b zur Ablaufleitung 23 geöffnet werden kann. In gleicher Weise werden auch fluidische Verbindungen aller zehn weiteren Reaktionskammern 13 zur Ablaufleitung 23 mittels des zweiten pneumatischen Ventils 42 geöffnet. Aus einer Reaktionskammer 13 austretende Reaktionsflüssigkeit überspült dabei den Rand 15 des Grundkörpers 11 des Reaktionskammerarrays 10 und gelangt so in die Abflussleitung, mittels welcher sie vom Reaktionskammerarray 10 fortgeleitet wird, ohne dabei in eine der anderen Reaktionskammern 13 gelangen zu können und diese dabei mit Reagenzien aus einer anderen Reaktionskammer 13 zu kontaminieren. Das zweite pneumatische Ventil 42 kann auch dann geöffnet werden, wenn kein Durchspülen der Reaktionskammern 13 gewünscht ist, sondern lediglich eine Entlüftung der Reaktionskammern 13 in die Abflussleitung 23 erfolgen soll.
