DE112016000223T5

DE112016000223T5 - Mikrofluidik-Sondenkopf zum Verarbeiten einer Sequenz von Flüssigkeitsvolumina, getrennt durch Abstandhalter

Info

Publication number: DE112016000223T5
Application number: DE112016000223.8T
Authority: DE
Inventors: Julien Autebert; Emmanuel Delamarche; Govind Kaigala; Xander Frank van Kooten
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-09-07
Also published as: US10639631B2; WO2016128543A1; US20160243549A1; JP6796067B2; GB2553674B; CN107295796A; GB201713658D0; US10926258B2; JP2018505403A; US20200230599A1; GB2553674A

Abstract

Ein Mikrofluidik-Sondenkopf zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die durch Abstandhalter getrennt sind, wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf aufweist: einen Einlass und einen Auslass, einen ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal und eine Fluidumleitung, welche den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal miteinander verbindet, wobei der erste Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von dem Einlass in Richtung eines Abscheidungsbereichs zu überführen, die Fluidumleitung den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal verbindet, um zu ermöglichen, dass die Abstandhalter aus dem ersten Fluidkanal entfernt werden, und dadurch eine freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina ohne Abstandhalter zu erhalten, der erste Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zu dem Abscheidungsbereich zu überführen, und der zweite Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die entfernten Abstandhalter von der Fluidumleitung zu dem Auslass zu überführen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Mikrofluidik-Sondenkopf, eine Mikrofluidiksonde, welche diese Mikrofluidiksonde aufweist, und ein Verfahren zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die durch Abstandhalter getrennt sind.
HINTERGRUND
Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten, der genauen Steuerung und der Beeinflussung von kleinen Volumina von Fluiden, welche typischerweise auf Kanäle im Mikrometer-Längenmaßstab und Volumina beschränkt sind, die typischerweise im Sub-Milliliter-Bereich liegen. Hier beziehen sich Fluide auf Flüssigkeiten und beide Begriffe können im Rest des Dokuments austauschbar verwendet werden. Insbesondere liegen typische Volumina von Flüssigkeiten in der Mikrofluidik im Bereich von 10^–15 L bis 10^–5 L und werden über Mikrokanäle mit einem typischen Durchmesser von 10^–7 m bis 10^–4 m transportiert.
Im Mikromaßstab kann sich das Verhalten von Flüssigkeiten von einem größeren, d. h. makroskopischen Maßstab derart unterscheiden, dass insbesondere Oberflächenspannung, viskose Energiedissipation und Fluidwiderstand dominante Eigenschaften der Strömung sind. Beispielsweise kann sich die Reynolds-Zahl, welche eine Impulswirkung eines Fluids mit der Wirkung der Viskosität vergleicht, in solchem Ausmaß verringern, dass das Strömungsverhalten des Fluids laminar statt turbulent wird.
Außerdem vermischen sich Flüssigkeiten im Mikromaßstab aufgrund des Fehlens der Turbulenz in Strömungen mit niedriger Reynolds-Zahl nicht notwendigerweise auf herkömmliche, chaotische Weise und ein Grenzflächentransport von Molekülen oder kleinen Teilchen zwischen benachbarten Flüssigkeiten erfolgt oft durch Diffusion. Als eine Folge sind bestimmte chemische und physikalische Eigenschaften von Flüssigkeiten, wie z. B. Konzentration, pH-Wert, Temperatur und Scherkraft, deterministisch. Dies sorgt für einheitlichere chemische Reaktionsbedingungen und Produkte höherer Güteklasse bei einstufigen und mehrstufigen Reaktionen.
Eine Mikrofluidiksonde ist eine Einheit, insbesondere eine mikrogefertigte Abtasteinheit, zum Abscheiden, Überführen, Transportieren, Abgeben und/oder Entfernen von Flüssigkeiten, insbesondere Flüssigkeiten, welche chemische und/oder biochemische Substanzen enthalten. Beispielsweise kann die Mikrofluidiksonde auf den Gebieten der diagnostischen Medizin, Pathologie, Pharmakologie und verschiedenen Zweigen der analytischen Chemie benutzt werden. Hier kann die Mikrofluidiksonde zur Durchführung molekularbiologischer Verfahren zur enzymatischen Analyse, Desoxyribonukleinsäure(DNA)-Analyse und Proteomik benutzt werden.
Viele chemische und biochemische Prozesse benötigen mehrere Schritte, die nacheinander durchgeführt werden, welche beinhalten, dass eine Zielfläche unter verschiedenen Bedingungen, z. B. bei unterschiedlichen Temperaturen, mit unterschiedlichen Konzentrationen und/oder in unterschiedlichen Dauern, unterschiedlichen Flüssigkeiten ausgesetzt wird, z. B. insbesondere (Bio-)Chemikalien, Lösungsmitteln und Puffern.
Entsprechend sollte die Mikrofluidiksonde die Überführung einer Sequenz von Flüssigkeiten in geringen Volumina zu einer Fläche mit geringer oder ohne Vermischung zwischen den aufeinander folgenden Flüssigkeiten ermöglichen. Während des Transports der Flüssigkeiten werden diese aufeinander folgenden Flüssigkeitsabschnitte innerhalb einer Kapillare oder eines Mikrofluidik-Kanals oft als „Plug” bezeichnet. Typischerweise verringert in Mikrofluidik-Kapillaren und Kanälen eine Vermischung zwischen aufeinander folgenden Plugs, welche unterschiedliche Flüssigkeiten aufweisen, aufgrund einer (Taylor-)Dispersion den Konzentrationsgradienten zwischen diesen aufeinander folgenden Plugs. Um eine Sequenz von Plugs geringen Volumens zu einer Fläche zu überführen, sollte die Mikrofluidiksonde in der Lage sein, schnell zwischen unterschiedlichen Flüssigkeiten umzuschalten, welche eine Sequenz von Plugs geringen Volumens bilden.
Währenddessen sollte die Dispersion von Plugs während des Überführens zu der Fläche begrenzt werden, um zu verhindern, dass sich aufeinanderfolgende Plugs miteinander vermischen.
Es sind Mikrofluidik-Sondenköpfe bekannt, welche zum Strukturieren kontinuierlicher und diskontinuierlicher Strukturen von Biomolekülen auf Flächen und zum Verarbeiten von Resistmaterialien auf einer Fläche geeignet sind. Flüssigkeiten, welche nacheinander zu der Zielfläche überführt werden, vermischen sich jedoch gewöhnlich aufgrund von Advektions- und Diffusionseffekten miteinander. Als ein Ergebnis ist die Sequenz von Plugs, die zu der Fläche überführt werden, möglicherweise nicht mehr identisch in Bezug auf die Konzentration des gelösten Stoffs oder Teilchenkonzentration, die Viskosität und das Plug-Volumen, wenn sie die Fläche erreicht, im Vergleich zu ihrem Ausgangszustand kurz hinter dem Punkt, wo die Sequenz erzeugt wird.
Ein Ansatz zum Verhindern, dass sich nacheinander überführte Flüssigkeiten miteinander vermischen, ist durch Einfügen von Abstandhaltern eines Fluids in unmischbarer Phase zwischen aufeinander folgenden Plugs, welche verschiedene Flüssigkeiten in kontinuierlicher Phase aufweisen. Beispielsweise könnten die aufeinander folgenden Plugs wässrig sein, während die Abstandhalter in unmischbarer Phase durch ein Öl oder ein Gas gebildet werden. Die Abstandhalter in unmischbarer Phase verhindern eine Diffusion von gelösten Stoffen und/oder Teilchen zwischen aufeinander folgenden Plugs. in „The chemistrode: A dropletbased microfluidic device for stimulation and recording with high temporal, spatial, and chemical resolution”, D. Chen u. a., PNAS 2008 (105), 16843 bis 16848, wird ein Werkzeug offenbart, welches wässrige Stimulus-Plugs, die durch Segmente einer unmischbaren Phase getrennt sind, zu einer Zielfläche überführt und Antwort-Plugs aufnimmt. Allerdings kommen das Werkzeug und die Abstandhalter in unmischbarer Phase mit der Zielfläche in Kontakt.
Ein Nachteil vieler Lösungen des Standes der Technik ist, dass sie nicht auf eine lokale Chemie anwendbar sind, die in nassen Umgebungen durchgeführt wird, insbesondere wenn man eine hydrodynamische Strömungseingrenzung anwenden möchte. Deswegen kann die Abscheidung von Tröpfchen aufgrund der Ausbreitung der Flüssigkeit, wenn man diese Vorrichtung und dieses Verfahren anwendet, nicht lokalisiert werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer ersten Erscheinungsform kann die Erfindung als ein Mikrofluidik-Sondenkopf zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina verkörpert sein, die durch Abstandhalter getrennt sind. Der Mikrofluidik-Sondenkopf weist einen Einlass, einen Auslass, einen ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal und eine Fluidumleitung auf. Die Fluidumleitung verbindet den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal miteinander. Der erste Fluidkanal ist dafür konfiguriert, die Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von dem Einlass in Richtung eines Abscheidungsbereichs zu überführen. Die Fluidumleitung verbindet den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal, um zu ermöglichen, dass die Abstandhalter aus dem ersten Fluidkanal entfernt werden, und dadurch eine freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina ohne Abstandhalter zu erhalten. Der erste Fluidkanal ist dafür konfiguriert, die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zu dem Abscheidungsbereich zu überführen. Der zweite Fluidkanal ist dafür konfiguriert, die entfernten Abstandhalter von der Fluidumleitung zu dem Auslass zu überführen.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform kann die Erfindung als eine Mikrofluidiksonde zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina konfiguriert sein, die durch Abstandhalter getrennt sind. Die Mikrofluidiksonde weist den zuvor beschriebenen Mikrofluidik-Sondenkopf, eine Mehrzahl von Flüssigkeitszufuhren, die mit dem Einlass der Mikrofluidiksonde fluidverbindbar sind, und eine Steuereinheit zum selektiven Fluidverbinden des Einlasses der Mikrofluidiksonde mit einer der Mehrzahl von Flüssigkeitszufuhren auf.
Gemäß einer dritten Erscheinungsform kann die Erfindung als ein Verfahren zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina verkörpert sein, die durch Abstandhalter getrennt sind. Das Verfahren umfasst: Überführen der Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von einem Flüssigkeitseinlass über einen ersten Fluidkanal in Richtung eines Abscheidungsbereichs, Entfernen der Abstandhalter, welche die getrennten Flüssigkeitsvolumina voneinander trennen, aus dem ersten Fluidkanal über eine Fluidumleitung, welche den ersten Fluidkanal mit dem zweiten Fluidkanal verbindet, und dadurch Erhalten einer freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina ohne Abstandhalter, Überführen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zu dem Abscheidungsbereich und Überführen der entfernten Abstandhalter von der Fluidumleitung zu einem Auslass über den zweiten Fluidkanal.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Mikrofluidiksonde zur Durchführung einer sequenziellen Chemie unter Anwendung einer hydrodynamischen Strömungseingrenzung, wobei die Mikrofluidiksonde einen Mikrofluidik-Sondenkopf aufweist;
2 zeigt eine partielle Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs der 1;
3 zeigt eine zusammenfassende Ansicht der ersten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs und der Fluidverbindungen aus 1;
4 veranschaulicht aufeinander folgende Arbeitsschritte des Mikrofluidik-Sondenkopfs aus 2;
5 zeigt eine zusammenfassende Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs und der Fluidverbindungen aus 1;
6 veranschaulicht ein vergrößertes Detail VI aus 5;
7 zeigt in einer vergrößerten Ansicht VII aus 3 oder 6 einen Teil eines Mikrofluidik-Sondenkopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform;
8 zeigt in einer vergrößerten Ansicht VIII aus 3 oder 6 einen Teil eines Mikrofluidik-Sondenkopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform und
9 zeigt in einer vergrößerten Ansicht IX aus 3 oder 6 einen Teil eines Mikrofluidik-Sondenkopfs gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Ähnlichen oder funktionell ähnlichen Elementen sind in den Figuren dieselben Bezugszeichen zugeordnet worden, falls nicht anders angezeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Mikrofluidiksonde 1 zur Durchführung einer sequenziellen Chemie unter Anwendung einer hydrodynamischen Strömungseingrenzung.
Die Mikrofluidiksonde 1 weist einen Mikrofluidik-Sondenkopf 2 auf, der an einem Roboterarm 3 befestigt ist. Der Roboterarm 3 ist zum Positionieren des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 an einer speziellen Stelle und insbesondere über einem jeweiligen der Abscheidungsbereiche 4a bis 4g konfiguriert. Vorzugsweise ist in der Mikrofluidiksonde 1 ferner eine x-, y- und z-Positionierungsbühne integriert, um eine unbeschränkte dreidimensionale Bewegung durchzuführen. Insbesondere ist die Mikrofluidiksonde 1 zum Durchführen einer sequenziellen Chemie konfiguriert.
Der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 ist mit Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c, einer Abstandhalterzufuhr 6 und einer Beseitigungseinheit 7 fluidverbunden. Die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c versorgen den Mikrofluidik-Sondenkopf 2 mit verschiedenen Flüssigkeiten, insbesondere Flüssigkeiten, welche biochemische Substanzen enthalten. Die Abstandhalterzufuhr 6 versorgt den Mikrofluidik-Sondenkopf 2 mit Öl. In der Beseitigungseinheit 7 werden Abfallfluide aus dem Mikrofluidik-Sondenkopf 2 gesammelt.
2 zeigt eine partielle Ansicht einer ersten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2, welche die Fluidströme und die Bildung einer hydradynamischen Strömungseingrenzung veranschaulicht.
Allgemein betrifft die hydrodynamische Strömungseingrenzung (Hydrodynamic Flow Confinement, HFC) ein Phänomen, dass eine laminare Strömung einer Injektionsflüssigkeit innerhalb eines Flüssigkeitsbads, welches eine Hintergrundflüssigkeit enthält, räumlich eingegrenzt wird. Ausführungsformen der Erfindung können vorteilhafter Weise auf einer hydrodynamischen Strömungseingrenzung beruhen, wie nachstehend noch detailliert beschrieben. Zu Veranschaulichungszwecken wird in den hierin beschriebenen Ausführungsformen meistens von einer hydrodynamischen Strömungseingrenzung ausgegangen. Beispielsweise wird in der Ausführungsform der 2 durch einen Injektionsmikrokanal die Injektionsflüssigkeit in das Flüssigkeitsbad mit einer Injektionsströmungsgeschwindigkeit injiziert und durch einen Ansaugmikrokanal wird die Injektionsflüssigkeit und etwas von der Hintergrundflüssigkeit mit einer Ansaugströmungsgeschwindigkeit angesaugt. Indem die Ansaugströmungsgeschwindigkeit höher gehalten wird als die Injektionsgeschwindigkeit, wird die laminare Strömung der Injektionsflüssigkeit von dem Injektionskanal zu dem Ansaugkanal gebildet und innerhalb eines Volumens innerhalb des umgebenden Flüssigkeitsbads eingegrenzt.
In der Ausführungsform der 2 sind die Abscheidungsbereiche 4a bis 4c auf einer Bodenfläche 8 einer Petrischale 9 oder dergleichen angeordnet, welche wenigstens teilweise mit einer Immersionsflüssigkeit 10 gefüllt ist, so dass die Abscheidungsbereiche 4a bis 4c mit der Immersionsflüssigkeit 10 bedeckt sind. Beispielsweise können die Abscheidungsbereiche 4a bis 4c biologische und biochemische Substanzen, z. B. Zellen oder Gewebe, und/oder eine Vorrichtung (z. B. einen Chip) zum Erfassen viraler und/oder bakterieller Infektionen oder von Allergien aufweisen.
Der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 weist einen Formkörper 11 auf, welcher eine Endseite 12 aufweist. In dem Formkörper 11 sind ein erster Fluidkanal 13 und ein zweiter Fluidkanal 14 ausgebildet. Eine erste Öffnung 15 und eine zweite Öffnung 16 sind in der Endseite 12 ausgebildet. Die erste und zweite Öffnung 15, 16 sind mit dem ersten bzw. zweiten Fluidkanal 13, 14 fluidverbunden. Beispielsweise kann ein Abstand T₁ zwischen der ersten und zweiten Öffnung 15, 16 weniger als 2,0 mm, vorzugsweise weniger als 1,5 mm und insbesondere weniger als 1,0 mm betragen.
Der Formkörper 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 fungiert als ein Gehäuse oder Träger. Alle Elemente, Teile und/oder Einheiten, die in den Formkörper 11 integriert sind, können auf einem Chip (beispielsweise durch Lithographie) hergestellt werden und sind damit bewegbar.
Innerhalb des Formkörpers 11 ist eine Fluidumleitung 17 angeordnet. Die Fluidumleitung 17 ist an einer ersten Umleitungseinmündung 18 mit dem ersten Fluidkanal 13 und an einer zweiten Umleitungseinmündung 19 mit dem zweiten Fluidkanal 14 fluidverbunden, um den ersten Fluidkanal 13 und den zweiten Fluidkanal 14 zu verbinden.
Der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 ist in 2 über dem Abscheidungsbereich 4b positioniert. Die Endseite 12 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 ist derart vom Abscheidungsbereich 4b beabstandet, dass ein Abstand zwischen der Endseite 12 und dem Abscheidungsbereich 4b 1 μm bis 100 μm, vorzugsweise 1,5 μm bis 90 μm und insbesondere 2 μm bis 80 μm beträgt. Bei diesem Abstand ist die Endseite 12 in das Immersionsfluid 10 getaucht, welches die Abscheidungsbereiche 4a bis 4c bedeckt. Eine Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, umfassend die Flüssigkeitsvolumina 23a, 23b, getrennt durch Abstandhalter 20, wird über den ersten Fluidkanal 13 zu der ersten Umleitungseinmündung 18 überführt, wo Sperrelemente 21 die Abstandhalter 20 in die Fluidumleitung 17 umleiten.
Wenn die Abstandhalter 20, insbesondere Abstandhalter, welche eine Ölphase aufweisen, mit dem Abscheidungsbereich 4a bis 4c in Kontakt kommen, können Oberflächeneigenschaften der Abscheidungsbereiche 4a bis 4c geändert werden und die Abscheidungsbereiche 4a bis 4c können verunreinigt werden und die Stabilität der hydrodynamischen Strömungseingrenzung kann unterbrochen werden, wodurch die Abscheidung der Flüssigkeitsvolumina an den erforderlichen Abscheidungsbereichen 4a bis 4c gestört wird. Insbesondere biochemische Substanzen wie z. B. Proteine, Zellen und biologische Gewebe auf den Abscheidungsbereichen 4a bis 4c könnten dadurch, dass sie mit den Abstandhaltern 20 in Kontakt kommen, denaturiert und/oder beschädigt werden. Auf der anderen Seite können lipophile Analyten wie z. B. Lipide, therapeutische Moleküle, Hormone, unpolare Farbstoffe oder Tracer durch die Abstandhalter 20 weggetragen werden. Außerdem können die Abstandhalter 20, wenn sie durch die erste Öffnung 15 abgegeben werden, eine Scherspannung auf Objekte darunter ausüben und diese dadurch beschädigen und/oder verschieben.
Durch Entfernen der Abstandhalter 20, welche die Flüssigkeitsvolumina 23a, 23b der Sequenz von Flüssigkeitsvolumina aus dem ersten Fluidkanal 13 trennen, wird verhindert, dass die Abstandhalter 20 die Abscheidungsbereiche 4a bis 4c erreichen, und eine freie Sequenz von Flüssigkeitsvolumina, d. h. die Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, aus der die Abstandhalter 20 entfernt sind, wird in Richtung der ersten Öffnung 15 überführt. Nur das Eingrenzungsvolumen 22 und somit die laminare Strömung C der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina kommt während des Betriebs mit dem Abscheidungsbereich 4a bis 4c in Kontakt.
Die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina wird mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit Q₁ durch die erste Öffnung 15 in die Immersionsflüssigkeit 10 abgegeben. Gleichzeitig werden ein Teil der Immersionsflüssigkeit 10 und die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die in die Immersionsflüssigkeit 10 abgegeben wird, mit einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit Q₂ durch die zweite Öffnung 16 in den zweiten Fluidkanal 14 angesaugt. Beispielsweise können die erste und zweite Strömungsgeschwindigkeit Q₁, Q₂ unter Verwendung entsprechender (nicht dargestellter) Pumpen erzeugt werden.
Wenn die zweite Strömungsgeschwindigkeit Q₂ höher ist als die erste Strömungsgeschwindigkeit Q₁ und ein spezielles Verhältnis der zweiten Strömungsgeschwindigkeit Q₂ zur ersten Strömungsgeschwindigkeit Q₁ beispielsweise 1,2 bis 10 (aber vorzugsweise 1,5 bis 6 und insbesondere 2 bis 4) beträgt, kann eine laminare Strömung C von der ersten Öffnung 15 zur zweiten Öffnung 16 erhalten werden. Durch das Erreichen einer solchen laminaren Strömung wird eine hydrodynamische Strömungseingrenzung ermöglicht. D. h., die laminare Strömung C ist durch die Immersionsflüssigkeit 10 hydrodynamisch innerhalb eines Eingrenzungsvolumens 22 eingegrenzt, welches sich von unterhalb der ersten Öffnung 15 bis unterhalb der zweiten Öffnung 16 erstreckt. Die Größe des Eingrenzungsvolumens 22 und die Form der laminaren Strömung C werden, ohne darauf beschränkt zu sein, durch die erste Strömungsgeschwindigkeit Q₁, die zweite Strömungsgeschwindigkeit Q₂ und das Verhältnis der zweiten Strömungsgeschwindigkeit Q₂ zur ersten Strömungsgeschwindigkeit Q₁, den Abstand zwischen der ersten und zweiten Öffnung und/oder den Abstand zwischen der Endseite 12 und dem entsprechenden Zielbereich 4a bis 4c definiert.
Beispielsweise kann die erste Strömungsgeschwindigkeit Q₁ im Bereich von 1,0 fL/s bis 1,0 mL/s, vorzugsweise 1,0 pL/s bis 100 nL/s und insbesondere 1,0 nL/s bis 50 nL/s gewählt werden und die zweite Strömungsgeschwindigkeit Q₂ kann im Bereich von 0,2 fL/s bis 4,0 mL/s, vorzugsweise 2,0 pL/s bis 400 nL/s und insbesondere 2,0 nL/s bis 200 nL/s gewählt werden.
Um das erste Flüssigkeitsvolumen 23a auf dem Abscheidungsbereich 4b abzuscheiden, wird der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 so positioniert, dass das Eingrenzungsvolumen 22 mit dem Abscheidungsbereich 4b in Kontakt steht. Ein Teil des Flüssigkeitsvolumens 23a und/oder Substanzen, die in dem Flüssigkeitsvolumen 23a mitgeführt werden, können am Abscheidungsbereich 4b haften und/oder mit der Substanz reagieren, die auf dem Abscheidungsbereich 4b angeordnet ist. Ein restlicher Teil des Flüssigkeitsvolumens 23a bewegt sich zusammen mit der laminaren Strömung C und wird durch die zweite Öffnung 16 in den zweiten Fluidkanal 14 angesaugt.
Nach dem Abscheiden des ersten Flüssigkeitsvolumens 23a kann der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 über dem nächsten Abscheidungsbereich 4c positioniert werden, um das zweite Flüssigkeitsvolumens 23b darauf abzuscheiden. Die Schritte des Positionierens des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 über dem entsprechenden Abscheidungsbereich und des Abscheidens eines Flüssigkeitsvolumens darauf können so oft wie nötig wiederholt werden.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der ersten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 und der Fluidverbindungen aus 1.
Die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c sind außerhalb des Formkörpers 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 angeordnet. Eine Ventileinheit 24 fluidverbindet die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c mit einem Einlass 25. Die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c enthalten verschiedene Flüssigkeiten. Die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c können eine einzige Flüssigkeit, eine Emulsion, eine Suspension und/oder Mischungen gleicher Phasen oder verschiedener Phasen, z. B. Feststoff-Flüssigkeits-, Flüssigkeits-Gas- und/oder Flüssigkeits-Flüssigkeits-Gemische enthalten. Insbesondere kann mindestens eine der Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c eine Flüssigkeit enthalten, welche eine biochemische Substanz aufweist. Insbesondere kann mindestens eine der Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c eine Flüssigkeit enthalten, welche bei der (bio)chemischen Analyse von Nutzen ist und/oder als solche vom Fachmann ausgewertet werden kann, z. B. beliebige organische und/oder anorganische Fluide und/oder Substanzen, welche mit Lebensformen in Beziehung stehen. Entsprechend können die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c den Mikrofluidik-Sondenkopf 2 mit einer oder mehreren Flüssigkeiten versorgen, welche biologische Substanzen enthalten, z. B. Zellen, Proteine, DNA, Medikamente, Antikörper, chemische Stimulantien und/oder chemische Antworten. Die von den Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c zugeführten Flüssigkeiten können sich beispielsweise in Bezug auf die chemische Zusammensetzung oder eine Konzentration einer oder mehrerer darin enthaltener Substanzen unterscheiden. Die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c führen die Flüssigkeiten der Ventileinheit 24 zu.
Die Ventileinheit 24 ist mit dem ersten Fluidkanal 13 fluidverbunden und kann die aus den Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c empfangenen Flüssigkeiten in den ersten Fluidkanal 13 einspeisen. Insbesondere ist die Ventileinheit 24 dafür konfiguriert, selektiv eine spezielle Menge einer der Flüssigkeiten aus den Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c in den ersten Fluidkanal 13 einzuspeisen. Eine Einlass-Steuereinheit 26 ist innerhalb des Formkörpers 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 angeordnet und ist dafür konfiguriert, durch Steuern der Ventileinheit 24 selektiv den Einlass 25 mit einer der Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c fluidzuverbinden. Zu diesem Zweck ist die Ventileinheit 24 so zu betreiben, dass sie aufeinander folgend und/oder abwechselnd Flüssigkeitsvolumina aus den Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c über den Einlass 25 in den ersten Fluidkanal 13 einspeist, wodurch eine freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina gebildet wird. Das Volumen jedes getrennten Flüssigkeitsvolumens und die Reihenfolge der getrennten Flüssigkeitsvolumina kann unter Verwendung der Einlass-Steuereinheit 26 spezifiziert werden. Beispielsweise kann eine Fluoreszenz-Ablesung (ein entsprechender Sensor ist nicht dargestellt) aus den Abscheidungsbereichen 4a bis 4g ausgewertet werden, um die Zeit einer Behandlung mit einer bestimmten Chemikalie zu steuern. Sobald die gewünschte Behandlungszeit erreicht ist, werden die Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c unter Verwendung der Ventileinheit 24 umgeschaltet.
Alternativ ist es möglich, dass nur eine Flüssigkeitszufuhr 5a mit dem Mikrofluidik-Sondenkopf 2 fluidverbunden ist. In diesem Fall fließt statt einer Mehrzahl verschiedener Flüssigkeiten eine Flüssigkeit aus der Flüssigkeitszufuhr 5a in den ersten Fluidkanal 13.
Die Abstandhalterzufuhr 6, die außerhalb des Formkörpers 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 angeordnet ist, ist über einen Einlass 27a mit einer Abstandhalter-Einfügungseinheit 27 fluidverbunden und versorgt sie mit Öl, welches mit jeder der Flüssigkeiten aus den Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c und der Immersionsflüssigkeit 10 unmischbar ist und dadurch zum Bereitstellen der Abstandhalter 20 geeignet ist. Statt Öl können andere unpolare Abstandhalterfluide eingesetzt werden, wie z. B. Fette, Lipide, Hexan und/oder Toluol, die mit den Flüssigkeiten aus den Flüssigkeitszufuhren 5a bis 5c und der Immersionsflüssigkeit unmischbar sind. Auf diese Weise wird die Trennung der Flüssigkeitsvolumina voneinander aufgrund einer Grenzflächenspannung zwischen benachbarten Abstandhaltern 20 und Flüssigkeitsvolumina vereinfacht.
Die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina fließt entlang dem ersten Fluidkanal 13 in Richtung einer Abstandhalter-Einmündung 28, wo die Abstandhalter-Einfügungseinheit 27 mit dem ersten Fluidkanal 13 fluidverbunden ist. Die Abstandhalter-Einmündung 28 ist zwischen dem Einlass 25 und der ersten Umleitungseinmündung 18 im ersten Fluidkanal 13 angeordnet. Die Abstandhalter-Einfügungseinheit 27 ist dafür konfiguriert, die Abstandhalter 20 in den ersten Fluidkanal 13 einzufügen, wodurch eine Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina gebildet wird, die durch die Abstandhalter 20 getrennt sind. Insbesondere ist die Einfügung der Abstandhalter 20 durch die Abstandhalter-Einfügungseinheit 27 zeitlich so abgestimmt, dass die Flüssigkeitsvolumina der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina durch die Abstandhalter 20 voneinander getrennt werden. Im Fall einer einzigen Flüssigkeit, die zu der Abstandhalter-Einmündung 28 überführt wird, teilen die Abstandhalter 20 die Flüssigkeit in getrennte Flüssigkeitsvolumina 23a, 23b. Eine Steuereinheit 29, die innerhalb des Formkörpers 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 angeordnet ist, steuert das Einfügen der Abstandhalter 20 in den ersten Fluidkanal 13 durch die Abstandhalter-Einfügungseinheit 27.
Nach dem Abscheiden eines Flüssigkeitsvolumens werden der restliche Teil des Flüssigkeitsvolumens, die aufgenommenen Abstandhalter 20 und ein Teil der Immersionsflüssigkeit 10 über den zweiten Fluidkanal 14 zu der Beseitigungseinheit 7 überführt. Ein Auslass 30 fluidverbindet den zweiten Fluidkanal 14, der innerhalb des Formkörpers 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 angeordnet ist, mit der Beseitigungseinheit 7 außerhalb dessen. Die Beseitigungseinheit 7 kann dafür konfiguriert sein, die aufgenommenen Flüssigkeiten einem Recycling zuzuführen, wiederzuverwenden, zu Lagern und/oder in angemessener Form zu verklappen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der zweite Fluidkanal 14 über den Auslass 30 mit einer Analyseeinheit fluidverbunden ist, welche die Flüssigkeit und/oder die Abstandhalter analysiert, die am Auslass 30 bereitgestellt werden.
Ein erster Detektor 31 und ein zweiter Detektor 32 sind in Nachbarschaft des ersten Fluidkanals 13 bzw. des zweiten Fluidkanals 14 innerhalb des Formkörpers 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 installiert. Sowohl der erste als auch der zweite Detektor 31, 32 ist dafür konfiguriert, den Abstandhalter 20 zu erfassen und zu identifizieren. Nach dem Erfassen des Abstandhalters 20 erzeugen der erste und zweite Detektor 31, 32 ein erstes Erfassungssignal bzw. ein zweites Erfassungssignal und senden es an die Steuereinheit 29. Auf der Grundlage des ersten und zweiten Erfassungssignals kann die Steuereinheit 29 die Einfügungsgeschwindigkeit der Abstandhalter 20 in den ersten Fluidkanal 13 und die Ansauggeschwindigkeit, mit welcher sie durch den zweiten Fluidkanal 14 angesaugt werden, synchronisieren. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 29 die Einfügungseinheit 29 und/oder die vorstehend erwähnten Pumpen entsprechend steuern.
Insbesondere können der erste und zweite Detektor 31, 32 dafür konfiguriert sein, die Abstandhalter 20 durch optische, elektrische und/oder magnetische Mittel zu erfassen. Durch den ersten und zweiten Detektor 31, 32 können Eigenschaften der Abstandhalter 20 erfasst und/oder gemessen werden, wie z. B. die Hydrophilie und die Oberflächenspannung.
4A bis 4L veranschaulichen aufeinander folgende Arbeitsschritte des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 der 2. Die Immersionsflüssigkeit 10 und der Formkörper 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 sind nicht dargestellt.
Im Folgenden wird dadurch, dass laminare Strömungen erreicht werden, eine hydrodynamische Strömungseingrenzung ermöglicht.
In 4A wird eine Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina 23a bis 23c, die durch Abstandhalter 20a, 20b getrennt sind, über den ersten Fluidkanal 13 zu der ersten Umleitungseinmündung 18 überführt. Aufgrund des speziellen Verhältnisses der zweiten Strömungsgeschwindigkeit Q₂ zur ersten Strömungsgeschwindigkeit Q₁, wie oben beschrieben, wird die laminare Strömung C von der ersten Öffnung 15 zur zweiten Öffnung 16 gebildet und durch die Immersionsflüssigkeit 10 innerhalb des Eingrenzungsvolumens 22 eingegrenzt, welches sich von unterhalb der ersten Öffnung 15 bis unterhalb der zweiten Öffnung 16 erstreckt.
In 4B fließt ein erstes Flüssigkeitsvolumen 23a hinter die Sperrelemente 21 und wird durch die erste Öffnung 15 in das Eingrenzungsvolumen 22 abgegeben, wo das erste Flüssigkeitsvolumen 23a durch die laminare Strömung C in Richtung der zweiten Öffnung 16 getrieben wird.
In 4C fließt ein erster Abstandhalter 20a, der das erste Flüssigkeitsvolumen 23a und das zweite Flüssigkeitsvolumen 23b voneinander trennt, in die Fluidumleitung 17, anstatt durch enge Teilkanäle zu gelangen, die durch die Sperrelemente 21 gebildet werden.
Nachdem der erste Abstandhalter 20a aus dem ersten Fluidkanal 13 entfernt ist, bewegt sich das zweite Flüssigkeitsvolumen 23b in Richtung des voranlaufenden ersten Flüssigkeitsvolumens 23a und kommt damit in Kontakt, wie in 4C und 4D dargestellt. Gleichzeitig wird innerhalb der Fluidumleitung ein Überdruck dadurch gebildet, dass der erste Abstandhalter 20a zu den Volumina des Abstandhalterfluids in der Fluidumleitung 17 hinzugefügt wird. Der Überdruck innerhalb der Fluidumleitung 17 wird verringert, indem an der Umleitungseinmündung 19 ein Abstandhalter 20p aus der Fluidumleitung 17 in den zweiten Fluidkanal 14 freigesetzt wird, wie in 4D bis 4F veranschaulicht.
Das erste Flüssigkeitsvolumen 23a, abgegeben in das Eingrenzungsvolumen 22, bewegt sich mit der laminaren Strömung C. Da das Eingrenzungsvolumen 22 in einem Oberflächenkontakt mit dem Abscheidungsbereich 4b steht, kommt das erste Flüssigkeitsvolumen 23a mit dem Abscheidungsbereich 4b in Kontakt und ein Teil des ersten Flüssigkeitsvolumens 23a und/oder Substanzen, welche von dem ersten Flüssigkeitsvolumen 23a mitgeführt werden, haftet an und/oder reagiert mit dem Abscheidungsbereich 4a. Ein restlicher Teil des ersten Flüssigkeitsvolumens 23a erreicht die zweite Öffnung 16 und wird in den zweiten Fluidkanal 14 angesaugt, wie in 4F dargestellt.
Nach dem ersten Flüssigkeitsvolumen 23a wird das zweite Flüssigkeitsvolumen 23b durch die erste Öffnung 15 in das Eingrenzungsvolumen 22 abgegeben und fließt in Richtung der zweiten Öffnung 16, wie in 4G bis 4K dargestellt. Währenddessen wird der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 über dem nächsten Abscheidungsbereich 4c positioniert, z. B. mittels des Roboterarms 3, so dass das Eingrenzungsvolumen 22 in einem Oberflächenkontakt mit dem nächsten Abscheidungsbereich 4c steht. Während es zusammen mit der laminaren Strömung C innerhalb des Eingrenzungsvolumens 22 fließt, haften ein Teil des Flüssigkeitsvolumens 23b und/oder Substanzen, die von dem zweiten Flüssigkeitsvolumen 23b mitgeführt werden, an und/oder reagieren mit dem nächsten Abscheidungsbereich 4c. Ein restlicher Teil des zweiten Flüssigkeitsvolumens 23b erreicht die zweite Öffnung 16 und wird in den zweiten Fluidkanal 14 angesaugt, wie in 4L dargestellt.
In 4G und 4H erreicht ein zweiter Abstandhalter 20b, welcher das zweite Flüssigkeitsvolumen 23b von einem dritten Flüssigkeitsvolumen 23c trennt, die erste Umleitungseinmündung 18 und fließt in die Fluidumleitung 17, anstatt durch die engen Kanäle zu gelangen, die durch die Sperrelemente 21 gebildet werden. Das dritte Flüssigkeitsvolumen 23c bewegt sich in Richtung des zweiten Flüssigkeitsvolumens 23b und kommt damit in Kontakt. Das bereits für das erste und zweite Flüssigkeitsvolumen 23a, 23b beschriebene Verfahren gilt in gleicher Weise auch für das dritte Flüssigkeitsvolumen 23c.
Die erste und zweite Strömungsgeschwindigkeit Q₁, Q₂ können (beispielsweise durch die Steuereinheit 29) so synchronisiert werden, dass der umgeleitete Abstandhalter 23p genau dann aus der Fluidumleitung 17 in den zweiten Fluidkanal 14 eingefügt wird, wenn das aufgenommene erste Flüssigkeitsvolumen 23a in der zweiten Umleitungseinmündung 19 ankommt, wie in 4I bis 4K veranschaulicht. Das aufgenommene erste Flüssigkeitsvolumen 23a wird dadurch von den voranlaufenden Flüssigkeitsvolumina getrennt, die sich entlang dem zweiten Fluidkanal 14 in Richtung des Auslasses 30 bewegen.
Entsprechend kann durch richtiges Setzen der Phasen des Einfügens der Abstandhalter 20 in den zweiten Fluidkanal 14 das anschließend aufgenommene/angesaugte erste und zweite Flüssigkeitsvolumen 23a, 23b getrennt werden.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 und der Fluidverbindungen aus 1. Die zweite Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 weist alle Elemente der ersten Ausführungsform der 3 auf. Außerdem ist innerhalb des Formkörpers 11 ein dritter Fluidkanal 33 vorgesehen und in der Endseite 12 ist eine dritte Öffnung 34 ausgebildet, welche mit dem dritten Fluidkanal 33 fluidverbunden ist. Ferner ist der dritte Fluidkanal 33 über einen Auslass 35a mit einer zusätzlichen Beseitigungseinheit 35 fluidverbunden, welche Fluide enthalten kann.
Eine dritte Strömungsgeschwindigkeit Q₃ wird so auf den dritten Fluidkanal 33 angewendet, dass Flüssigkeiten durch die dritte Öffnung 34 in den dritten Fluidkanal 33 angesaugt werden, wobei beispielsweise eine entsprechende (nicht dargestellte) Pumpe benutzt wird. Die angesaugten Flüssigkeiten werden über den dritten Fluidkanal 33 zu der zusätzlichen Beseitigungseinheit 35 überführt. Die dritte Strömungsgeschwindigkeit Q₃ ist vorzugsweise höher als die erste Strömungsgeschwindigkeit Q₁, um eine laminare Strömung C' von der ersten Öffnung 15 zu der dritten Öffnung 34 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Beispielsweise kann die erste Strömungsgeschwindigkeit Q₁ im Bereich von 1,0 fL/s bis 1,0 mL/s, vorzugsweise 1,0 pL/s bis 100 nL/s und insbesondere 1,0 nL/s bis 50 nL/s gewählt werden. Ein Verhältnis der dritten Strömungsgeschwindigkeit Q₃ zur ersten Strömungsgeschwindigkeit Q₁ kann im Bereich von 1,2 bis 10, vorzugsweise 1,5 bis 6 und insbesondere 2 bis 4 gewählt werden. Die dritte Strömungsgeschwindigkeit Q₃ kann im Bereich von 1,2 fL/s bis 10 mL/s, vorzugsweise 2,0 pL/s bis 400 nL/s und insbesondere 2,0 nL/s bis 200 nL/s gewählt werden.
Des Weiteren ist die Einheit vorzugsweise so konfiguriert, dass ein Abstand T₁ (siehe 6) zwischen der ersten Öffnung 15 und der zweiten Öffnung 16 größer ist als ein Abstand T₂ zwischen der ersten Öffnung 15 und der dritten Öffnung 34, um eine laminare Strömung C' zwischen der ersten und dritten Öffnung 15, 34 gegenüber einer Strömung zwischen der ersten und zweiten Öffnung 15, 16 zu bevorzugen und aufrechtzuerhalten. Speziell kann der Abstand T₂ weniger als 2,0 mm, vorzugsweise weniger als 1,5 mm und insbesondere weniger als 1,0 mm betragen. Wiederum wird dadurch, dass eine solche laminare Strömung erreicht wird, eine hydrodynamische Strömungseingrenzung ermöglicht.
Wenn das Eingrenzungsvolumen 22 zwischen der ersten und der dritten Öffnung 15, 34 angeordnet ist, kann der zweite Fluidkanal 14 hauptsächlich zum Aufnehmen der Abstandhalter 20 benutzt werden. Der restliche Teil der Flüssigkeitsvolumina 23a bis 23c, der nicht an den entsprechenden Abscheidungsbereichen 4b bis 4d haftet, kann über den dritten Fluidkanal 33 aufgenommen werden. Entsprechend erfolgt das Aufnehmen der Abstandhalter 20 und des restlichen Teils der Flüssigkeitsvolumina 23a bis 23c getrennt an verschiedenen Stellen.
6 veranschaulicht die Fluidströme und die hydrodynamische Strömungseingrenzung bei Anwendung der zweiten Ausführungsform des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2. Die Immersionsflüssigkeit 10 und der Formkörper 11 des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 sind nicht dargestellt.
Eine Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die durch die Abstandhalter 20 getrennt sind, fließt mit der ersten Strömungsgeschwindigkeit Q₁ entlang dem ersten Fluidkanal 13 in Richtung der ersten Öffnung 15. An der ersten Umleitungseinmündung 18 werden die Abstandhalter 20 aus dem ersten Fluidkanal 13 über die Fluidumleitung 17 in den zweiten Fluidkanal 14 umgeleitet. An der zweiten Öffnung 16 wird die Immersionsflüssigkeit 10 in den zweiten Fluidkanal 14 angesaugt. Die angesaugte Immersionsflüssigkeit 10 und die umgeleiteten Abstandhalter 20 werden über den zweiten Fluidkanal 14 zu dem Auslass 30 überführt.
Eine laminare Strömung C' von der ersten Öffnung 15 zu der dritten Öffnung 34 wird gebildet und durch die Immersionsflüssigkeit 10 innerhalb eines Eingrenzungsvolumens 22' eingegrenzt, welches sich von unterhalb der ersten Öffnung 15 bis unterhalb der dritten Öffnung 34 erstreckt. Der Mikrofluidik-Sondenkopf 2 wird so positioniert, dass das Eingrenzungsvolumen 36 mit dem Abscheidungsbereich 4 in Oberflächenkontakt steht.
Während sich ein Flüssigkeitsvolumen 23a mit der laminaren Strömung C' innerhalb des Eingrenzungsvolumens 22' bewegt, haftet ein Teil des Flüssigkeitsvolumens 23a und/oder Substanzen, welche von den Flüssigkeitsvolumina 23 mitgeführt werden an dem Abscheidungsbereich 4 und/oder reagieren mit Substanzen, die auf dem Abscheidungsbereich 4 angeordnet sind.
Die Arbeitsschritte des Positionierens des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 und des Abscheidens eines Teils des Flüssigkeitsvolumens 23a und/oder von Substanzen, die von dem Flüssigkeitsvolumen 23 mitgeführt werden, können beliebig wiederholt werden, um die Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina 23a bis 23c auf den entsprechenden Abscheidungsbereichen 4 abzuscheiden.
7 bis 9 zeigen einen Abschnitt des Mikrofluidik-Sondenkopfs 2 in vergrößerten Ansichten VII, VIII, IX von 3 oder 5 gemäß drei verschiedenen Ausführungsformen. Insbesondere sind Teile des ersten und zweiten Fluidkanals 9, 11, die Sperrelemente 23 und die Fluidumleitung 18 dargestellt.
In allen drei Ausführungsformen sind die Sperrelemente 21a bis 21c als drei Balken geformt, welche jeweils eine Breite W und verschiedene Längen L₁ bis L₃ aufweisen. Beispielsweise beträgt W 5 μm bis 80 μm, L₁ beträgt 120 μm bis 160 μm, L₂ beträgt 80 μm bis 120 μm und L₃ beträgt 40 μm bis 80 μm. Zwischen zwei benachbarten Sperrelementen 21 und/oder einer Innenwand des ersten Fluidkanals 13 sind Teilkanäle 36 ausgebildet, wobei eine Breite jedes Teilkanals 36 der Abstand D zwischen den entsprechenden Sperrelementen 21a bis 21c und/oder einer Innenwand des ersten Fluidkanals 13 ist. Beispielsweise beträgt D 5 μm bis 30 μm.
Wenn eine Viskosität der Abstandhalter höher ist als die Viskosität der Flüssigkeitsvolumina 23a bis 23c, werden die Abstandhalter 20 aufgrund einer Grenzflächenspannung zwischen den Abstandhaltern und den Flüssigkeitsvolumina von einer Vorderseite der Sperrelemente 21a bis 21c weggeleitet, anstatt dass sie in die Teilkanäle 36 eintreten. Demzufolge können die Sperrelemente 21a bis 21c die Abstandhalter 20 aus dem ersten Fluidkanal 13 in die Fluidumleitung 17 umleiten, während die Flüssigkeitsvolumina 23a bis 23c durch die Teilkanäle 36 fließen.
In allen drei Ausführungsformen weist der erste Fluidkanal 13 einen Durchmesser A₁ zwischen der Abstandhalter-Einmündung 28 und der ersten Umleitungseinmündung 18 auf. Der erste Fluidkanal 13 öffnet sich zu einem Durchmesser A₂ an der Position der Sperrelemente 21. Stromabwärts des Sperrelements 21 bis zu der ersten Öffnung 15 verjüngt sich der erste Fluidkanal 13 zu einem Durchmesser A₃ an der ersten Öffnung 15. Beispielsweise beträgt A₁ 50 μm bis 200 μm, A₂ beträgt 70 μm bis 400 μm und A₃ beträgt 20 μm bis 100 μm.
Der zweite Fluidkanal 14 weist einen Durchmesser B₁ an der zweiten Öffnung 16 und einen Durchmesser B₂ im restlichen Teil auf. B₁ und B₂ können gleich oder verschieden sein. Beispielsweise betragen B₁ bzw. B₂ 25 μm bis 150 μm.
In 7 weist die Fluidumleitung 17 eine Breite P₁ an der ersten Umleitungseinmündung 18 auf und verjüngt sich kontinuierlich in Richtung der zweiten Umleitungseinmündung 19 bis zu einer Breite P₂, wodurch ein Druck an der zweiten Umleitungseinmündung 19 erhöht wird. Beispielsweise beträgt P₁ 50 μm bis 500 μm und P₂ beträgt 10 μm bis 100 μm.
In 8 erhöht sich die Breite der Fluidumleitung 17 von P₁ an der ersten Umleitungseinmündung 18 auf P₃ an der Ebene 37, verringert sich dann auf P₂ an der zweiten Umleitungseinmündung 19. Auf diese Weise wird eine höhere Kapazität der Fluidumleitung 17 zum Enthalten von Abstandhaltern bereitgestellt. Beispielsweise beträgt P₃ 100 μm bis 1000 μm.
In 9 ist die Breite P₁ der Fluidumleitung 17 bis zu einer Ebene 38 konstant und verringert sich auf P₂ an der zweiten Umleitungseinmündung 19. Außerdem oder alternativ wird der zweite Fluidkanal 11 an der zweiten Umleitungseinmündung 19 auf eine Breite B₃ verengt, um den Druck zu erhöhen. Beispielsweise beträgt B₃ 20 μm bis 80 μm.
In allen drei Ausführungsformen der Fluidumleitung 17 wird der Druck an der zweiten Umleitungseinmündung 19 durch die Geometrie erhöht. Entsprechend können die Abstandhalter 20 in den zweiten Fluidkanal 14 eingefügt werden, anstatt in ihn zu lecken.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Mikrofluidiksonde, welche den vorgeschlagenen Mikrofluidik-Sondenkopf umfassen, bieten Möglichkeiten zur aufeinander folgenden Abscheidung einer Mehrzahl von Flüssigkeitsvolumina, die durch Abstandhalter getrennt sind, und ermöglichen einem Benutzer, die Abstandhalter wirksam zu entfernen, um zu verhindern, dass sie den Abscheidungsbereich erreichen. Insbesondere kann ein physischer Kontakt der Mikrofluidiksonde und/oder des Mikrofluidik-Sondenkopfs mit dem Abscheidungsbereich vermieden werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Mikrofluidiksonde, welche den vorgeschlagenen Mikrofluidik-Sondenkopf umfassen, könnten bei einer lokalen Ausführung einer Immunhistochemie auf einer Oberfläche angewendet werden. Mehrere Flüssigkeiten könnten nacheinander auf immobilisierte Zellen, mit Formalin fixierte Gewebesektionen und/oder gefrorene Gewebe überführt werden. Insbesondere könnte eine aufeinander folgende Behandlung von biologischen Oberflächen mit einem primären Antikörper, einem mit Biotin markierten sekundären Antikörper und/oder Streptavidin/HRP mit zwischengeschalteten Puffer-Waschschritten durchgeführt werden, um ein kolorimetrisches Signal zu erzeugen, welches das Vorliegen (oder Nichtvorliegen) eines Krankheits-Markers anzeigt.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Mikrofluidiksonde, welche den vorgeschlagenen Mikrofluidik-Sondenkopf umfassen, könnten für oberflächenbasierte Immunassays angewendet werden, welche eine hohe Effizienz in Bezug auf die Raumnutzung und den Reagenzverbrauch erfordern, insbesondere für diskontinuierliche Verfahren bei der Massenherstellung. Insbesondere könnte durch Wiederholen der Arbeitsschritte des Beladens der Mikrofluidiksonde mit einer Antikörperlösung und des anschließenden Spülens die Strukturierung verschiedener Typen von Proteinen und/oder Antikörpern auf einer Oberfläche, z. B. für die Erforschung allergischer Reaktionen, die Erfassung viraler und/oder bakterieller Infektionen, durchgeführt werden. Durch die vorgeschlagene Technologie könnten ein Reagenzverbrauch und Zeiterfordernisse für diese Assays verringert werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Mikrofluidiksonde, welche den vorgeschlagenen Mikrofluidik-Sondenkopf umfassen, könnten für eine Sekretomanalyse angewendet werden, indem eine Sequenz chemischer Stimulationsimpulse an Zellen übermittelt wird, die auf einer Oberfläche immobilisiert sind, und die Oberfläche mit einer Sequenz von Flüssigkeitsabschnitten behandelt wird. Die Mikrofluidiksonde könnte ferner zum Abrufen einer Reaktion der Zellen auf die übermittelte Stimulation benutzt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Ersetzungen durch Äquivalente erfolgen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, welche unter den Umfang der anhängenden Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofluidik-Sonde
2: Mikrofluidik-Sondenkopf
3: Roboterarm
4a bis 4h: Abscheidungsbereich
5a, 5b, 5c: Flüssigkeitszufuhren
6: Abstandhalterzufuhr
7: Beseitigungseinheit
8: Bodenfläche
9: Petrischale
10: Immersionsflüssigkeit
11: Formkörper
12: Endseite
13: Erster Fluidkanal
14: Zweiter Fluidkanal
15: Erste Öffnung
16: Zweite Öffnung
17: Fluidumleitung
18: Erste Umleitungseinmündung
19: Zweite Umleitungseinmündung
20, 20a bis 20c: Abstandhalter
21, 21a bis 21c: Sperrelemente
22, 22: Eingrenzungsvolumina
23a bis 23c: Flüssigkeitsvolumina
24: Ventileinheit
25: Einlass
26: Einlass-Steuereinheit
27: Abstandhalter-Einfügungseinheit
27a: Einlass
28: Abstandhaltereinmündung
29: Steuereinheit
30: Auslass
31: Erster Detektor
32: Zweiter Detektor
33: Dritter Fluidkanal
34: Dritte Öffnung
35: Zusätzliche Beseitigungseinheit
35a: Auslass
36: Teilkanal
37: Ebene
38: Ebene
A₁, A₂, A₃: Durchmesser
B₁, B₂, B₃: Durchmesser
C, C': Laminare Strömung
D: Abstand
L₁, L₂, L₃: Länge
P₁, P₂, P₃: Breite
Q₁, Q₂, Q₃: Strömungsgeschwindigkeit
T₁, T₂: Abstand
W: Breite

Claims

Mikrofluidik-Sondenkopf zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die durch Abstandhalter getrennt sind, wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf aufweist: einen Einlass und einen Auslass, einen ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal und eine Fluidumleitung, welche den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal miteinander verbindet, wobei der erste Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von dem Einlass in Richtung eines Abscheidungsbereichs zu überführen, die Fluidumleitung den ersten Fluidkanal und den zweiten Fluidkanal verbindet, um zu ermöglichen, dass die Abstandhalter aus dem ersten Fluidkanal entfernt werden, und dadurch eine freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina ohne Abstandhalter zu erhalten, der erste Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zu dem Abscheidungsbereich zu überführen, und der zweite Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die entfernten Abstandhalter von der Fluidumleitung zu dem Auslass zu überführen.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 1, wobei ein Abstandhalter, der zwei aufeinander folgende getrennte Flüssigkeitsvolumina der Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina voneinander trennt, mit den getrennten Flüssigkeitsvolumina unmischbar ist.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von dem Abscheidungsbereich zu dem Auslass zu überführen.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen Formkörper, welcher den ersten Fluidkanal, den zweiten Fluidkanal und die Fluidumleitung umfasst, wobei der Formkörper eine Endseite aufweist, die dafür konfiguriert ist, in eine Immersionsflüssigkeit eingetaucht zu werden, eine erste Öffnung, die in der Endseite ausgebildet ist und mit dem ersten Fluidkanal fluidverbunden ist, und eine zweite Öffnung, die in der Endseite ausgebildet ist und mit dem zweiten Fluidkanal fluidverbunden ist, wobei die Fluidumleitung stromaufwärts der ersten Öffnung mit dem ersten Fluidkanal verbunden ist und der Mikrofluidik-Sondenkopf konfiguriert ist zum: Überführen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina durch die erste Öffnung und den ersten Fluidkanal mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit und Ansaugen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zusammen mit etwas von der Immersionsflüssigkeit von dem Abscheidungsbereich durch die zweite Öffnung und den zweiten Fluidkanal mit einer zweiten Strömungsgeschwindigkeit, wobei die zweite Strömungsgeschwindigkeit höher als die erste Strömungsgeschwindigkeit ist, um die überführte freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina innerhalb der Immersionsflüssigkeit einzugrenzen.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend einen zusätzlichen Auslass und einen dritten Fluidkanal, wobei der dritte Fluidkanal dafür konfiguriert ist, die freie Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von dem Abscheidungsbereich zu dem zusätzlichen Auslass zu überführen.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 5, ferner aufweisend einen Formkörper, welcher den ersten Fluidkanal, den zweiten Fluidkanal, den dritten Fluidkanal und die Fluidumleitung umfasst, wobei der Formkörper eine Endseite aufweist, die dafür konfiguriert ist, in eine Immersionsflüssigkeit eingetaucht zu werden, eine erste Öffnung, eine zweite Öffnung und eine dritte Öffnung, die jeweils in der Endseite ausgebildet sind und mit dem ersten Fluidkanal, dem zweiten Fluidkanal bzw. dem dritten Fluidkanal fluidverbunden sind, und wobei die Fluidumleitung stromaufwärts der ersten Öffnung mit dem ersten Fluidkanal verbunden ist und der Mikrofluidik-Sondenkopf konfiguriert ist zum: Bereitstellen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina durch die erste Öffnung und den ersten Fluidkanal, Ansaugen von etwas von der Immersionsflüssigkeit von dem Abscheidungsbereich durch die zweite Öffnung und den zweiten Fluidkanal und Ansaugen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zusammen mit etwas von der Immersionsflüssigkeit von dem Abscheidungsbereich durch die dritte Öffnung und den dritten Fluidkanal.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend mindestens ein Sperrelement zum Umleiten der Abstandhalter aus dem ersten Fluidkanal in die Fluidumleitung.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich die Fluidumleitung von dem ersten Fluidkanal nach unten in Richtung des zweiten Fluidkanals verjüngt.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Fluidkanal eine Verengung umfasst, die dafür konfiguriert ist, einen Druck an einer Stelle zu erhöhen, wo die Fluidumleitung mit dem zweiten Fluidkanal fluidverbunden ist.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend eine Abstandhalter-Einfügungseinheit zum injizieren der Abstandhalter in den ersten Fluidkanal.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sequenz getrennte Volumina mindestens einer Flüssigkeit aufweist, welche eine biochemische Substanz enthält.
Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner aufweisend eine Steuereinheit, welche dafür konfiguriert ist, eine Einfügungsgeschwindigkeit von Abstandhaltern in den ersten Fluidkanal mit einer Ansauggeschwindigkeit der Abstandhalter in den zweiten Fluidkanal zu synchronisieren.
Mikrofluidiksonde zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die durch Abstandhalter getrennt sind, aufweisend: den Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, eine Mehrzahl von Flüssigkeitszufuhren, die mit dem Einlass des Mikrofluidik-Sondenkopfs fluidverbindbar sind, und eine Steuereinheit zum selektiven Fluidverbinden des Einlasses mit einer der Mehrzahl von Flüssigkeitszufuhren.
Verfahren zum Verarbeiten einer Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die durch Abstandhalter getrennt sind, aufweisend: Überführen der Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina von einem Einlass über einen ersten Fluidkanal in Richtung eines Abscheidungsbereichs, Entfernen der Abstandhalter, welche die getrennten Flüssigkeitsvolumina voneinander trennen, aus dem ersten Fluidkanal über eine Fluidumleitung, welche den ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal verbindet, und dadurch Erhalten einer freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina ohne Abstandhalter, Überführen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina zu dem Abscheidungsbereich und Überführen der entfernten Abstandhalter von der Fluidumleitung zu einem Auslass über den zweiten Fluidkanal.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Überführen der Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, das Entfernen der Abstandhalter, das Überführen der freien Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina und das Überführen der entfernten Abstandhalter unter Verwendung des Mikrofluidik-Sondenkopfs nach Anspruch 1 durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Sequenz getrennter Flüssigkeitsvolumina, die über den ersten Fluidkanal überführt wird, getrennte Volumina von mindestens zwei verschiedenen Flüssigkeiten aufweist.