WO2021122511A1 - Kartusche mit einem mikrofluidischen system für die durchführung einer analyse einer probe - Google Patents

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WO2021122511A1
WO2021122511A1 PCT/EP2020/086091 EP2020086091W WO2021122511A1 WO 2021122511 A1 WO2021122511 A1 WO 2021122511A1 EP 2020086091 W EP2020086091 W EP 2020086091W WO 2021122511 A1 WO2021122511 A1 WO 2021122511A1
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flow
cartridge
sample
analysis
analysis section
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PCT/EP2020/086091
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Julian Kassel
Daniel Czurratis
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N2015/1493—Particle size

Definitions

  • a first type of fluid transport is carried out by a drive with the aid of centrifugal force.
  • a centrifugal drive With a centrifugal drive, only one specific flow direction can be actively specified, because a rotation generates the centrifugal force, which acts in the same direction (outwards) regardless of the direction of rotation.
  • a second type of fluid transport is carried out by a drive with the aid of compressed air (also called a pneumatic drive).
  • compressed air also called a pneumatic drive
  • hydrodynamic focusing is an important area of application for lab-on-chip systems.
  • Cells are counted or sorted in different approaches.
  • Devices for hydrodynamic focusing or for counting and sorting cells are often also called "DurchDusscytometers". Individual cell types can be detected, counted and sorted in such devices.
  • the sample can then (after counting and Sort) can be discarded. If further tests are to be carried out with the sample, the sample (or components of the sample separated from one another during sorting) can be transferred to further devices.
  • Lab-on-chip systems are usually used in conjunction with processing units.
  • Lab-on-chip systems are usually designed as single-use components in the form of cartridges that can be inserted into the processing unit in order to carry out the respective analysis steps provided in or on the lab-on-chip system.
  • lab-on-chip systems offer the advantages of short analysis times, small sample and reagent volumes and easier installation in small laboratories or medical practices.
  • a cartridge with a microfluidic system for the automated implementation of an analysis of an at least partially liquid sample, having an analysis section with at least one flow area in which an analysis of components of the sample can take place and at least one flow laminarizer that operates in a flow direction upstream Arranged analysis section and set up to generate a laminar flow which flows through the flow area of the analysis section.
  • the cartridge is in particular a lab-on-chip.
  • the cartridge can preferably be inserted into a processing unit in which the cartridge is used (or controlled) in such a way that the analysis steps for its Carrying out the cartridge is intended to be carried out with the cartridge.
  • LOC cartridge plastic substrate
  • a credit card for example, where complex biological, diagnostic, chemical or physical processes can take place in miniaturized form.
  • microfluidic system refers to the entirety of all microfluidic devices (channels, chambers, valves, pumps, etc.) that are located on the cartridge.
  • the cartridge is preferably built up in layers from different substrates, which can be produced, for example, with the aid of 3D printing processes, injection molding processes and / or photolithography processes.
  • Channels and / or chambers of the microfluidic system are preferably formed as cavities in at least one substrate. Another substrate closes these chambers and channels.
  • the cartridge particularly preferably consists of a multilayer structure of at least two substrates, between which a flexible membrane can be arranged.
  • the substrates can preferably consist of thermoplastics (polycarbonate, polyamide, polystyrene, polypropylene, polyethylene, PMMA, COP, COC).
  • the flexible membrane can preferably be composed of elastomers, thermoplastic elastomers (TPU: thermoplastic elastomer based on polyurethane, TPS: thermoplastic elastomer based on styrene) or thin thermoplastics.
  • the multilayer structure can, for example, have a thickness of 0.5 to 5 mm [millimeters].
  • the flexible membrane can, for example, have a thickness of 5 to 300 ⁇ m [micrometers].
  • the membrane can e.g. have a thickness of 50 pm [micrometers] to 2 mm [millimeters].
  • the analysis section describes an area in which the actual analysis of the sample takes place.
  • the analysis path can, for example, in the manner of a Arrays be designed in which a large number of analysis steps can be carried out in parallel.
  • Flow areas denote regions within the analysis path through which the sample can flow.
  • the sample is referred to here as “at least partially liquid”. This means in particular that the sample contains liquid components.
  • the sample can also have other constituents, which can also be solid (or at least partially solid), for example.
  • Such components can be biological cells, for example.
  • the sample can be a blood sample, for example.
  • Typical types of samples are, for example, samples from the following substances and / or substances:
  • flow laminarizer here means a device with which a laminar (that is, non-turbulent) flow can be produced in the analysis section in a targeted manner.
  • a flow laminarization with the flow laminarizer is usually achieved by implementing a flow guide with a lower Reynolds number.
  • a flow laminarizer can be set up, for example, by changing the cross section of a channel through which the flow passes, whereby the flow is slowed down.
  • a flow laminarizer can also have built-in components in the channel through which the flow passes, or the flow laminarizer can be implemented by a local division or branching of the channel, by means of which a channel cross section that is decisive for the Reynolds number is reduced. Behind the Flow laminarizers can be brought together again divided and / or branched channel sections, wherein a laminarity of the flow brought about by the flow laminarizer is preferably maintained.
  • the length of the channel in the area of the flow laminarizer can be between 0.3 and 20 mm [millimeters], with the cross section being less than 1.0 mm 2 .
  • the maximum speed of the flow is usually dependent on the individual dimensioning of the channel as well as on the properties of the fluid such as viscosity.
  • the microfluidic system is preferably designed in such a way that the flow through it is not completely laminar. Turbulent flows also preferably occur, namely in particular upstream (that is to say in a flow direction in front of) the flow laminarizer.
  • the flow direction here describes in particular a preferred flow direction with which the cartridge or the microfluidic system is mainly flowed through when an analysis is carried out. If necessary, other, in particular reversed, flow directions can also occur (at least briefly), for example when the sample is sucked back into the microfluidic system with a pump.
  • the flow laminarizer is set up to generate laminar partial flows, one partial flow flowing through a flow area of the analysis section in each case.
  • the flow laminarizer comprises a compensating capacitance that adjoins a pump chamber in the direction of flow.
  • the pump chamber is preferably part of a pump, which can be part of the cartridge, but which can be located in a component external to the cartridge (for example in a processing unit in which the cartridge can be used to carry out examinations).
  • the pump or the pump chamber preferably works in a pulsed manner.
  • Usual processing units are usually constructed in such a way that only two different pressure levels are available, with an intended overpressure level and an intended negative pressure level being available.
  • the fact that a pump works in a pulsed manner means that there are regular discharge phases during which sample liquid emerges from the pump chamber and suction phases in between, in which there is no discharge of sample liquid but the pump chamber draws in sample liquid.
  • a fluctuation in the flow leaving the pump chamber can be compensated for by a compensating capacity connected to the pump chamber.
  • These fluctuations in the liquid output usually always favor turbulence.
  • the flow laminarization helps to avoid such fluctuations with a compensating capacity.
  • the compensating capacity is preferably a liquid reservoir in which the sample liquid is at least slowed down and possibly also stored. In particular, it serves to bridge suction phases and to effect an approximately equal discharge of liquid at an outlet of the compensating capacity.
  • the compensating capacity can for example comprise a chamber which is connected to a channel into which the liquid is guided or through which such a channel runs.
  • the compensating capacity enables additional To provide volume for liquid when the pressure in the channel increases - for example by means of a sliding wall of the chamber.
  • the displaceable wall of the chamber can be implemented, for example, by a flexible membrane which can perform a compensating movement when a pressure in the channel or chamber rises.
  • the minimum volume of the compensation chamber is 0.1 ml [milliliters].
  • the maximum volume of the compensation chamber is 5 ml [milliliters].
  • the increase in volume when the pressure rises, which leads to the compensatory movement of the flexible membrane, is, for example, between 5 and 50%.
  • the maximum permissible pressure is preferably 5 bar.
  • a first valve is arranged upstream of the compensating capacity in the direction of flow.
  • Such a valve is used to prevent a backflow of liquid from the compensating capacity back into the pump chamber. This supports the flow laminarization.
  • the compensating capacitance comprises a flexible membrane which can be deformed by a pressure present in the compensating capacitance.
  • the flexible membrane preferably at least partially limits the compensating capacitance.
  • the compensating capacitance is particularly preferably arranged between two substrates from which the cartridge is constructed.
  • the flexible membrane can be inserted between the two substrates.
  • the compensating capacitance is preferably arranged between a substrate and the flexible membrane.
  • a further volume is preferably arranged between a further substrate and a side of the flexible membrane opposite the compensating capacitance, in which there is, for example, a gas bubble which provides a pressure which presses the compensating capacitance.
  • the gas bubble or the volume of the gas bubble can also be referred to as the “pneumatic level”.
  • the degree of damping can be determined by the choice of the dexible membrane (modulus of elasticity,
  • Thickness of the membrane can be influenced in the compensating capacitance. It is particularly preferred if a second valve is arranged downstream of the compensating capacity in the direction of flow.
  • the cartridge is set up to work together with a pump with which a flow rate and a pressure level can be set by adjusting the switching frequency.
  • the pump can be part of the cartridge or a processing unit into which the cartridge is used to carry out analyzes.
  • the setting of the flow rate enables cost advantages to be achieved in the design of the periphery or the analysis device (or the process control unit).
  • the cartridge is also preferred if the flow laminarizer comprises a meandering channel structure arranged in the flow direction upstream of the analysis section.
  • the effect of the damping of pump strokes within the pump chamber with the flow laminarizer can in particular be defined by different geometrical designs of the compensating capacitance or the meandering channel structure.
  • the flow laminarizer preferably has at least one flow expander which expands a cross section through which the flow passes.
  • a flow expander preferably comprises a (continuous) widening of the cross section of a channel through which the flow passes.
  • the flow expander is preferably designed in such a way that (no) turbulence in the flow is caused by the expansion. This can be achieved in particular in that the channel has no protrusions, undercuts or the like in the area of the flow expander.
  • the channel preferably has in the area of the flow expander smooth wall surfaces.
  • a flow is slowed down by a flow expander.
  • the length of the extension channel can be between 0.5 and 20 mm [millimeters].
  • the length of the analysis section can (also) be between 0.5 and 20 mm [millimeters].
  • the cross section in the channel when entering the expander is preferably less than 0.1 mm 2 .
  • the cross-section of the channel when it emerges from the expander is preferably less than 0.5 mm 2 .
  • the cartridge has a sensor window in which a sensor can analyze a laminar flow of the sample and / or components (of the sample) transported by the laminar flow in the at least one flow area.
  • the senor is set up to recognize cell types.
  • the senor is connected to a control device for counting cells.
  • At least one sorting means is provided on the analysis section with which components of the sample transported by the laminar flow can be conveyed from one flow area into a further flow area.
  • a separator is arranged downstream of the analysis section in the direction of flow, with which components of the sample transported by the laminar flow can be conveyed into individual subsystems of the microfluidic system.
  • the arrangement of the sensor and sorting means on an analysis line behind a flow laminator offers the potential to separate several cell types in one step.
  • a sorting means can for example be designed with liquid nozzles with which a lateral displacement of liquid sections or transported components or cells transported in the liquid can be achieved.
  • the laser (which is to carry out the sorting) is usually individually adapted in terms of its wavelength and pulse strength to the cells or the fluorescence markers, which can dock onto cells.
  • the fluidic path of the sorter can preferably be at least greater than 1 mm. Depending on the complexity of the degree of sorting, there are preferably at least two parallel flows. A longer fluidic path of the sorter (and for example, but not exclusively a plurality of lasers) allows sorting into (up to) four or more destinations in an advantageous manner.
  • a sensor window denotes an area on the analysis path in which a sensor can act on the sample or on components of the sample.
  • the sensor itself can be part of the cartridge or part of the higher-level analysis device (the processing unit) and interact with the analysis section through the sensor window.
  • the sensor on the analysis section in combination with the flow laminarizer located in front of the analysis section offers the potential with suitable optical readout to photograph, detect and measure individual cells
  • the cartridge of a lab-on-chip system described here can be expanded.
  • hydrodynamic focusing is used to count or sort cells.
  • the cells are lined up one behind the other by means of a de-adjusted flow of the fluid and the release of the cells.
  • the correct Duidian parameters result in several (mostly three), parallel, laminar flows.
  • Biological cells in the sample can be counted using a suitable sensor (detection technology), such as optical, chemical or resistive.
  • a mixture of different cell types can be provided with a fluorescent marker to the desired ones. In the laminar flow you can stimulate every single cell and only those that have the marker will give an optical response. The number of relevant cells can also be determined from the mixture.
  • the different laminar currents can also be separated from one another and further investigated separately.
  • FIG. 2a a further embodiment of a cartridge
  • FIG. 2b the embodiment variant from FIG. 2a with a cross-sectional view from above
  • Fig. 3 a further embodiment of a cartridge
  • FIG. 1 shows an exemplary multi-layer structure of a microfluidic system 16 with the flow laminator 19 described here in a cartridge 15.
  • a direction of flow 20 through the microfluidic system 16 is indicated by an arrow.
  • the cartridge 15 or the microfluidic system 16 are constructed here with a first substrate 1 and with a second substrate 2 by way of example.
  • the microfluidic system 16 has a pump 7, which is shown with a dexible membrane 3 and which can be operated pneumatically via a pneumatic connection 29.
  • the pump 7 provides the basic functions for the microDuidic control.
  • the dexible membrane 3 of the pump 7 is integrated between the first substrate 1 and the second substrate 2 and is freely movable.
  • liquid can be drawn into a pump chamber 5 with the aid of the pump 7 or its dexible membrane 3 and transferred to an adjacent compensating capacity 9 via a valve 8.
  • the Duidic plane in which the microDuidic channels 6 and the compensating capacitance 9 are located, there is usually atmospheric pressure.
  • turbulent flows 11 initially arise in the compensating capacity 9.
  • the dexible membrane 3 can dampen or completely intercept the temporary pressure increases resulting from the pumping strokes.
  • the compensating capacitance 9 is preferably adjacent to an enclosed gas volume 13, which can be compressed and is thus suitable for compensating for pressure fluctuations in the compensating capacitance 9. This results in an almost laminar flow at the outlet 10 of the compensating capacity 9.
  • microDuidic path between pumping chamber 5 and compensating capacity 9 can be opened or closed. In this way, it can be prevented that liquid from the compensating capacitance 9 gets back into the pump chamber 5 during the pumping process.
  • the analysis section 17 adjoins the outlet 10, through which the liquid sample can flow in flow areas 18.
  • FIGS. 2a, 2b and 3 show further design variants of such microfluidic systems 16, with components that correspond to the design variant in FIG. 1 not being explained again here.
  • an additional meandering channel structure 12 can be coupled between the outlet 10 and the compensating capacitance 9 of the micro-duidic system 16.
  • This meandering channel structure 12 can lead to a further damping of the temporary pressure surges and thus to the formation of a laminar flow.
  • FIG. 2a in a representation corresponding to FIG.
  • a possible construction of the meandering channel structure 12 is shown in FIG. 2b, where a section is selected in a perpendicular orientation to the illustration in FIG. 2a.
  • a second valve 14 is also arranged between the compensating capacity 9 and the meandering channel structure 12, which valve can be opened or closed.
  • This second valve 14 can be used to prevent liquid from flowing back from the channel structure 12 into the compensating capacity 9. By means of this second valve 14, the flow can be made even more even.
  • FIG. 4 shows a diagram of the flow over time through a microfluidic system 16 of a cartridge.
  • the time axis t is shown horizontally.
  • the volume flow Q is shown vertically.
  • the course without the integration of a flow laminarizer 19, as described here, is shown on the left-hand side.
  • the infeed of the flow laminarizer 19 can be seen.
  • 5 shows an example of an analysis section 17 with flow areas 18. Subsequently, a flow expander 21 or a separator 28 for separating sample components in the flow areas 18 for different subsystems 4 is shown.
  • An analysis of the sample takes place in a sensor window 23 with at least one sensor 24, which can work optically with or without excitation of fluorescence or chemiluminescence.
  • An excitation of cells in the sample and also a possible determination of the size of cells could be realized, for example, with a laser as the sensor 24.
  • a sensor 24 for a resistive measurement in the flow itself would also be conceivable. Further detection methods can also be integrated.
  • a sorting means 27 with which sample parts and in particular transported components 25 of the samples (particularly preferably cells) can be moved back and forth between flow regions 18 in a targeted manner in order to achieve sorting.
  • a sorting means can be designed, for example, with liquid nozzles with which a lateral displacement of liquid sections or transported components / cells can be achieved.
  • the sorting means 27 can also comprise a laser in order to shift certain cells from their original laminar flow into one of the other flows (flow-through area 18). A cell mixture can thus be sorted into different cell types. As a further sorting means 27 can electric or magnetic fields are used. Other sorting mechanisms are conceivable.
  • the sorting means 17 can optionally also overlap with the sensor window 23, be identical or completely separate from it. After the detection and a possible sorting, the individual laminar
  • Streams are divided up again and the sorted cells are taken for different processing.
  • a control device 26 is also arranged here purely schematically, which, for example, counting functions determined with the aid of the sensor 24
  • a flow expander 21 which expands a cross-section 22 through which the flow passes and which is used for
  • Distribution of the flow in subsystems 4 is used.

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Abstract

Kartusche (15) mit einem mikrofluidischen System (16) für die automatisierte Durchführung einer Analyse einer zumindest teilweise flüssigen Probe, aufweisend eine Analysestrecke (17) mit mindestens einem Durchströmungsbereich (18) in welchem eine Analyse von Bestandteilen der Probe erfolgen kann und mindestens einen Strömungslaminarisierer (19), der in einer Strömungsrichtung (20) vor der Analysestrecke (17) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine laminare Strömung zu erzeugen, welche den Durchströmungsbereich (18) der Analysestrecke (17) durchströmt.

Description

Beschreibung
Titel
Kartusche mit einem mikrofluidischen System für die Durchführung einer Analyse einer Probe
Stand der Technik
In Lab-on-Chip-Systemen haben sich zwei Arten des Fluidtransports etabliert. Eine erste Art des Fluidtransports erfolgt durch einen Antrieb mit Hilfe einer Zentrifugalkraft. Mit einem zentrifugalen Antrieb kann aktiv nur eine bestimmte Flussrichtung vorgegeben werden, weil durch eine Drehung die Zentrifugalkraft erzeugt wird, welche unabhängig von der Drehrichtung in die gleiche Richtung (nach außen wirkt). Eine zweite Art des Fluidtransport erfolgt durch einen Antrieb mit Hilfe von Druckluft (auch pneumatischer Antrieb genannt). Durch einen Antrieb mit Druckluft können prinzipiell verschiedene Transportrichtung (insbesondere vorwärts und rückwärts) realisiert werden.
Bei Fluidtransport mit Druckluft wird eine Flüssigkeitsmenge stoßweise transportiert. Dabei können unterschiedliche Probleme im Duidischen Ablauf entstehen, beispielsweise die Bildung von Turbulenzen durch die stoßweise Beschleunigung von Flüssigkeitsmengen.
Für Lab-on-Chip-Systeme ist die sogenannte hydrodynamischen Fokussierung ein wichtiges Anwendungsgebiet. Dabei werden in unterschiedlichen Ansätzen Zellen gezählt oder sortiert. Geräte für die hydrodynamische Fokussierung bzw. zum Zählen und Sortieren von Zellen werden häufig auch „DurchDusszytometer“ genannt. In solchen Geräten können einzelne Zellarten detektiert, gezählt und sortiert werden.
Sind die beim Zählen und Sortieren gewonnenen Daten ausreichend bzw. das Ziel der Untersuchung, kann die Probe anschließend (nach dem Zählen und Sortieren) verworfen werden. Sofern noch weitere Tests mit der Probe durchgeführt werden sollen, kann die Probe (oder beim Sortieren voneinander separierte Bestandteile der Probe) in weitere Geräte transferiert werden.
In Lab-on-Chip-Systemen werden teilweise komplexe Analysen vereinheitlicht.
So können mehrere Geräte auf einmal durch ein einzelnes Lab-on-Chip-System ersetzt werden. Lab-on-Chip-Systeme werden normalerweise zusammen mit Prozessiereinheiten verwendet. Lab-on-Chip-Systeme sind regelmäßig als Einweg- Komponenten in Form von Kartuschen ausgeführt, die in die Prozessiereinheit eingesetzt werden können, um die jeweils vorgesehenen Analyseschritte in bzw. auf dem Lab-on-Chip-System durchzuführen.
Der Automatisierungsgrad bei der Analyse mit einem Lab-on-Chip-System ist so hoch wie möglich. Hierdurch wird das Potenzial für menschliche Fehler auf ein Minimum reduziert. Gleichzeitig bieten Lab-on-Chip-Systeme die Vorteile einer kurzen Analysezeit, geringer Probe- und Reagenzvolumina und der einfacheren Installation in kleinen Laboren oder Arztpraxen.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß diesem Anforderungsprofil soll hier eine weiter verbesserte Kartusche für ein Lab-on-Chip-System vorgestellt werden, die verbesserte und gegebenenfalls auch zusätzliche Analysemöglichkeiten bietet.
Hier beschrieben werden soll eine Kartusche mit einem mikrofluidischen System für die automatisierte Durchführung einer Analyse einer zumindest teilweise flüssigen Probe, aufweisend eine Analysestrecke mit mindestens einem Durchströmungsbereich in welchem eine Analyse von Bestandteilen der Probe erfolgen kann und mindestens einen Strömungslaminarisierer, der in einer Strömungsrichtung vor der Analysestrecke angeordnet und dazu eingerichtet ist eine laminare Strömung zu erzeugen, welche den Durchströmungsbereich der Analysestrecke durchströmt.
Die Kartusche ist insbesondere ein Lab-on-Chip. Die Kartusche kann bevorzugt in eine Prozessiereinheit eingesetzt werden, in welcher die Kartusche derart verwendet (bzw. angesteuert) wird, dass die Analyseschritte für deren Durchführung die Kartusche vorgesehen ist mit der Kartusche durchgeführt werden.
In einem Lab-on-Chip wird die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem beispielsweise kreditkartengroßen KunststoDsubstrat (LOC- Kartusche) untergebracht, wo komplexe biologische, diagnostische, chemische oder physikalische Prozesse miniaturisiert ablaufen können.
Mit dem Begriff „mirkrofluidisches System“ ist die Gesamtheit aller mikrofluidischen Einrichtungen (Kanäle, Kammern, Ventile, Pumpen etc.) gemeint, welche sich auf der Kartusche befinden.
Die Kartusche ist bevorzugt schichtweise aus verschiedenen Substraten aufgebaut, die beispielsweise mit Hilfe von 3D-Druck-Verfahren, Spritzgussverfahren und/oder Photolithographie-Verfahren hergestellt werden können. Bevorzugt sind in mindestens einem Substrat Kanäle und/oder Kammern des mikrofluidischen Systems als Kavitäten ausgebildet. Ein weiteres Substrat schließt diese Kammern und Kanäle ab.
Die Kartusche besteht besonders bevorzugt aus einem Mehrschichtaufbau aus mindestens zwei Substraten, zwischen denen eine flexible Membran angeordnet sein kann. Die Substrate können bevorzugt aus thermoplastischen Kunststoffen (Polycarbonat, Polyamid, Polystyrol, Polypropylen, Polyethylen, PMMA, COP, COC) bestehen. Die flexible Membran kann sich bevorzugt aus Elastomeren, thermoplastischen Elastomeren (TPU: thermoplastisches Elastomer aus Polyurethanbasis, TPS: thermoplastisches Elastomer aus Styrolbasis) oder dünnen Thermoplasten zusammensetzen. Der Mehrschichtaufbau kann beispielsweise eine Dicke von 0,5 bis 5 mm [Millimeter] aufweisen. Die flexible Membran kann als Polymermembran beispielsweise eine Dicke von 5 bis 300 pm [Mikrometer] aufweisen. Als elastische TPU Membran kann die Membran z.BB. eine Dicke von 50 pm [Mikrometer] bis 2 mm [Millimeter] aufweisen.
Die Analysestrecke beschreibt einen Bereich in welchem die eigentliche Analyse der Probe stattfindet. Die Analysestrecke kann beispielsweise nach Art eines Arrays ausgestaltet sein in welchem eine Vielzahl von Analyseschritten parallel durchgeführt werden können.
Durchströmungsbereiche bezeichnen Regionen innerhalb der Analysestrecke, die von der Probe durchströmt werden können.
Die Probe wird hier als „zumindest teilweise flüssig“ bezeichnet. Hiermit ist insbesondere gemeint, dass die Probe flüssige Komponenten enthält. Darüber hinaus kann die Probe aber auch weitere Bestandteile aufweisen, die beispielsweise auch fest (oder zumindest teilweise fest) sein können. Solche Bestandteile können beispielsweise biologische Zellen sein. Die Probe kann beispielsweise eine Blutprobe sein.
Typische Arten von Proben sind beispielsweise Proben aus folgenden Substanzen und/oder Stoffen:
Blut,
Urin,
Abstriche von Schleimhäuten,
Stuhlproben, oder ggf. mit Trägerfluiden verdünnte Proben bestehend aus den vorgenannten Substanzen und/oder Stoffen.
Mit dem Begriff Strömungslaminarisierer ist hier eine Einrichtung gemeint, mit welcher gezielt eine laminare (das heißt nicht turbulente) Strömung in der Analysestrecke herstellbar ist.
Eine Strömungslaminarisierung mit dem Strömungslaminarisierer wird üblicherweise dadurch erreicht, dass eine Strömungsführung mit einer niedrigeren Reynolds-Zahl realisiert wird. Ein Strömungslaminarisierer kann beispielsweise durch eine Veränderung des durchströmten Querschnitts eines Kanals eingerichtet sein, wodurch eine Abbremsung der Strömung erfolgt. Ein Strömungslaminarisierer kann auch Einbauten in den durchströmten Kanal aufweisen oder der Strömungslaminarisierer kann durch eine lokale Aufteilung oder Verzweigung des Kanals realisiert werden, durch welche ein für die Reynolds-Zahl maßgeblicher Kanalquerschnitt reduziert wird. Hinter dem Strömungslaminarisierer können aufgeteilte und/oder verzweigte Kanalabschnitte wieder zusammengeführt werden, wobei eine mit dem Strömungslaminarisierer hervorgerufene Laminarität der Strömung bevorzugt aufrecht erhalten bleibt. Die Länge des Kanals im Bereich des Strömungslaminarisierers kann zwischen 0,3 und 20 mm [Millimeter] betragen, wobei der Querschnitt weniger als 1,0 mm2 aufweisen kann. Die Höchstgeschwindigkeit der Strömung ist in der Regel sowohl abhängig von der individuellen Dimensionierung des Kanals als auch von den Eigenschaften des Fluids wie bspw. Viskosität.
Bevorzugt ist das mikrofluidische System so gestaltet, dass dessen Durchströmung nicht vollständig laminar ist. Bevorzugt treten auch turbulente Strömungen auf, nämlich insbesondere stromaufwärts (das heißt in einer Strömungsrichtung vor) dem Strömungslaminarisierer.
Mit der Strömungsrichtung ist hier insbesondere eine bevorzugte Strömungsrichtung beschrieben mit welcher die Kartusche bzw. das mikrofluidische System bei der Durchführung einer Analyse hauptsächlich durchströmt wird. Gegebenenfalls können (zumindest kurzzeitig) auch andere, insbesondere umgekehrte, Durchströmungsrichtungen auftreten, beispielsweise wenn mit einer Pumpe ein Rücksaugen der Probe in dem mikrofluidischen System durchgeführt wird.
Besonders bevorzugt ist, wenn in der Analysestrecke mindestens zwei Durchströmungsbereiche nebeneinander angeordnet sind und der Strömungslaminarisierer dazu eingerichtet ist, laminare Teilströmungen zu erzeugen, wobei jeweils eine Teilströmung einen Durchströmungsbereich der Analysestrecke durchströmt.
Ein Vorteil von laminaren Strömungen ist, dass Flüssigkeitsabschnitte in einer laminaren Strömung den Strömungslinien folgen und normalerweise keine turbulente Durchmischung von Flüssigkeitsabschnitten entlang verschiedener Strömungslinien untereinander erfolgen. Daher kann eine Analysestrecke, die von einer laminaren Strömung durchströmt wird, in verschiedene (gedachte) Durchströmungsbereiche entlang der Strömungslinien unterteilt werden. Es ist dann immer eindeutig, dass ein Flüssigkeitsabschnitt in einem Durchströmungsbereich während der fortgesetzten Strömung auch in diesem Durchströmungsbereich verbleibt. Dieser Effekt kann für eine vorteilhafte parallele Analyse von Flüssigkeitsproben in den verschiedenen Durchströmungsbereichen genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Strömungslaminarisierer eine sich in Strömungsrichtung an eine Pumpkammer anschließende Ausgleichskapazität umfasst.
Die Pumpkammer ist bevorzugt Teil einer Pumpe, die Teil der Kartusche sein kann, die sich aber in einer kartuschenexternen Komponente (beispielsweise in einer Prozessiereinheit, in welche die Kartusche zur Durchführung von Untersuchungen eingesetzt werden kann) befinden kann.
Die Pumpe bzw. die Pumpenkammer arbeitet bevorzugt pulsartig. Übliche Prozessiereinheiten sind üblicherweise so konstruiert, dass nur zwei verschiedene Druckniveaus zur Verfügung stehen, wobei ein vorgesehenes Überdruckniveau und ein vorgesehenes Unterdruckniveau zur Verfügung stehen. Das eine Pumpe pulsartig arbeitet bedeutet, dass es regelmäßige Ausstoßphasen gibt, während welcher Probenflüssigkeit aus der Pumpkammer austritt und dazwischen liegende Saugphasen, in welchen kein Ausstoß von Probenflüssigkeit stattfindet sondern die Pumpkammer Probenflüssigkeit ansaugt.
Durch eine sich an die Pumpkammer anschließende Ausgleichskapazität kann eine Schwankung in der Strömung, die die Pumpkammer verlässt, ausgeglichen werden. Dies Schwankungen im Flüssigkeitsausstoß begünstigen normalerweise immer Turbulenzen. Solche Schwankungen mit einer Ausgleichskapazität zu vermeiden unterstützt die Strömungslaminarisierung.
Die Ausgleichskapazität ist bevorzugt ein Flüssigkeitsreservoir in welchem die Probenflüssigkeit zumindest abgebremst und ggf. auch gespeichert wird. Sie dient insbesondere dazu Saugphasen zu überbrücken und an einem Auslass der Ausgleichskapazität einen annähernd vergleichsmäßigen Ausstoß von Flüssigkeit zu bewirken. Die Ausgleichskapazität kann beispielsweise eine Kammer umfassen, die an einen Kanal angeschlossen ist, in welchen die Flüssigkeit geführt wird bzw. durch welche ein solcher Kanal verläuft. Die Ausgleichskapazität ermöglicht es, zusätzliches Volumen für Flüssigkeit bereitzustellen, wenn der Druck in dem Kanal steigt — beispielsweise durch eine verschiebbare Wand der Kammer. Die verschiebbare Wand der Kammer kann beispielsweise durch eine flexible Membran realisiert sein, welche eine Ausgleichsbewegung durchführen kann, wenn ein Druck in dem Kanal bzw. der Kammer steigt. Das minimale Volumen der Ausgleichskammer beträgt gemäß einem Ausführungsbeispiel 0,1 ml [Milliliter] Das maximale Volumen der Ausgleichskammer beträgt gemäß einem Ausführungsbeispiel 5 ml [Milliliter]. Die Volumenzunahme bei Anstieg des Drucks, der zur Ausgleichsbewegung der flexiblen Membran führt, beträgt beispielsweise zwischen 5 und 50%. Der maximal zulässige Druck beträgt vorzugsweise 5 bar.
Besonders bevorzugt ist, wenn in Strömungsrichtung vor der Ausgleichskapazität ein erstes Ventil angeordnet ist.
Ein solches Ventil dient dazu eine Rückströmung von Flüssigkeit von der Ausgleichskapazität zurück in die Pumpenkammer zu unterbinden. Hierdurch wird die Strömungslaminarisierung unterstützt.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Ausgleichskapazität eine flexible Membran umfasst, die von einem in der Ausgleichskapazität vorliegenden Druck verformt werden kann.
Die flexible Membran begrenzt die Ausgleichskapazität bevorzugt zumindest teilweise. Besonders bevorzugt ist die Ausgleichskapazität zwischen zwei Substraten angeordnet aus denen die Kartusche aufgebaut ist. Zwischen den zwei Substraten kann die flexible Membran eingesetzt sein. Bevorzugt ist die Ausgleichskapazität zwischen einem Substrat und der flexiblen Membran angeordnet. Bevorzugt ist zwischen einem weiteren Substrat und einer der Ausgleichskapazität gegenüberliegenden Seite der flexiblen Membran ein weiteres Volumen angeordnet in welchem sich beispielsweise eine Gasblase befindet, die einen Druck bereitstellt, welcher die Ausgleichskapazität bedrückt. Die Gasblase bzw. das Volumen der Gasblase kann auch als „Pneumatikebene” bezeichnet werden.
Der Grad der Dämpfung kann durch die Wahl der Dexiblen Membran (E-Modul,
Dicke der Membran) in der Ausgleichskapazität beeinDusst werden. Besonders bevorzugt ist, wenn in Strömungsrichtung hinter der Ausgleichskapazität ein zweites Ventil angeordnet ist.
Mit einem solchen Ventil kann ein gleichmäßiger Ausstoß von Probenflüssigkeit aus der Ausgleichskapazität gewährleistet werden.
Außerdem bevorzugt ist, wenn die Kartusche dazu eingerichtet ist, mit einer Pumpe zusammen zu wirken, mit welcher eine Durchflussgeschwindigkeit und ein Druckniveau durch eine Anpassung der Schaltfrequenz eingestellt werden kann.
Wie schon weiter oben ausgeführt kann die Pumpe Bestandteil der Kartusche oder einer Prozessiereinheit sein in welche die Kartusche zur Durchführung von Analysen eingesetzt wird.
Die Einstellung der Durchflussgeschwindigkeit ermöglicht Kostenvorteile in der Auslegung der Peripherie oder des Analysegeräts (bzw. der Prozesssiereinheit) zu realisieren.
Außerdem bevorzugt ist die Kartusche, wenn der Strömungslaminarisierer eine in Strömungsrichtung vor der Analysestrecke angeordnete mäanderförmige Kanalstruktur umfasst.
Die Wirkung der Dämpfung von Pumphüben innerhalb der Pumpkammer mit dem Strömungslaminarisierer kann insbesondere durch unterschiedliche geometrische Auslegung der Ausgleichskapazität oder der mäanderförmigen Kanalstruktur definiert werden.
Außerdem bevorzugt weist der Strömungslaminarisierer mindestens einen Strömungserweiterer auf, welcher einen durchströmten Querschnitt erweitert.
Ein Strömungserweiterer umfasst bevorzugt eine (kontinuierliche) Erweiterung des Querschnitts eines durchströmten Kanals. Der Strömungserweiterer ist bevorzugt so ausgeführt, dass (keine) Turbolenzen in der Strömung durch die Erweiterung hervorgerufen werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der Kanal im Bereich des Strömungserweiterers keine Vorsprünge, Hinterschnitte oder Ähnliches aufweist. Bevorzugt hat der Kanal im Bereich des Strömungserweiterers glatte Wandoberflächen. Durch einen Strömungserweiterer wird eine Strömung abgebremst. Die Länge des Erweiterungskanals kann zwischen 0,5 und 20 mm [Millimeter] betragen. Die Länge der Analysestrecke kann (ebenfalls) zwischen 0,5 und 20 mm [Millimeter] betragen. Der Querschnitt im Kanal beim Eintritt in den Erweiterer weist vorzugsweise weniger als 0,1 mm2 auf. Der Querschnitt des Kanals bei Austritt aus dem Erweiterer weist vorzugsweise weniger als 0,5 mm2 auf.
Darüber hinaus bevorzugt ist, wenn die Kartusche ein Sensorfenster aufweist, in welchem ein Sensor eine laminare Strömung der Probe und/oder von der laminaren Strömung transportierte Bestandteile (der Probe) in dem mindestens einen Durchströmungsbereich analysieren kann.
Besonders bevorzugt ist, wenn der Sensor zur Erkennung von Zelltypen eingerichtet ist.
Darüber hinaus bevorzugt ist, wenn der Sensor an ein Steuergerät zum Zählen von Zellen angeschlossen ist.
Auch bevorzugt ist, wenn an der Analysestrecke mindestens ein Sortiermittel vorgesehen ist, mit welchem von der laminaren Strömung transportierte Bestandteile der Probe von einem Durchströmungsbereich in einen weiteren Durchströmungsbereich befördert werden können.
Auch bevorzug ist, wenn in Strömungsrichtung hinter der Analysestrecke ein Vereinzeler angeordnet ist, mit welchem von der laminaren Strömung transportierte Bestandteile der Probe in einzelne Teilsysteme des mikrofluidischen Systems beförderbar sind.
Vorstehend beschrieben ist die Integration weiterer Funktionalitäten in eine Kartusche eines Lab-on-Chip-Systems.
Mit Hilfe von Sortiermitteln und ggf. einem hinter der Analysestrecke angeordneten Vereinzeler wird ein aktives Sortieren markierter Zellen möglich.
Die Anordnung von Sensor und Sortiermittel an einer Analysestrecke hinter einem Strömungslaminarisierer bietet das Potential mehrere Zellarten in einem Schritt zu vereinzeln.
Ein Sortiermittel kann beispielsweise mit Flüssigkeitsdüsen ausgeführt sein, mit welchen eine seitliche Verschiebung von Flüssigkeitsabschnitten bzw. transportierten Bestandteilen bzw. in der Flüssigkeit transportierten Zellen erreicht werden kann.
Der Laser (welcher die Sortierung vornehmen soll) wird üblicherweise von seiner Wellenlänge und Impulsstärke individuell an die Zellen bzw. die Fluoreszenzmarker, welche an Zellen andocken können, angepasst. Die fluidische Strecke des Sortierers kann vorzugsweise mindestens größer als 1 mm sein. Je nach Komplexität des Sortierungsgrades sind vorzugsweise mindestens zwei parallele Strömungen vorhanden. Durch eine längere fluidische Strecke des Sortierers (und bspw. aber nicht ausschließlich mehrerer Laser) kann in vorteilhafter Weise eine Sortierung in (bis zu) vier oder mehr Ziele erfolgen.
Ein Sensorfenster bezeichnet einen Bereich an der Analysestrecke in welchem ein Sensor auf die Probe bzw. auf Bestandteile der Probe wirken kann. Der Sensor selbst kann Teil der Kartusche oder Teil des übergeordneten Analysegerätes (der Prozessiereinheit) sein und durch das Sensorfenster mit der Analysestrecke Zusammenwirken.
Der Sensor an der Analysestrecke in Kombination mit dem vor der Analysestrecke angeordneten Strömungslaminarisierer bietet das Potential mit geeigneter optischer Auslese einzelne Zellen zu fotograDeren, detektieren und zu vermessen
Die hier beschriebene Kartusche eines Lab-on-Chip-Systems kann erweitert werden. Bei der medizinischen Diagnostik wird zur Zellzählung oder -Sortierung eine hydrodynamische Fokussierung verwendet. Dabei werden durch eine deDniert eingestellte Strömung des Fluids und Freigabe der Zellen diese hintereinander angereiht. In einem Kanal ergeben sich durch die richtigen Duidischen Parameter mehrere (meistens drei), parallel zueinander laufende, laminare Strömungen. Durch einen entsprechenden Sensor (Detektionstechnik), wie optisch, chemisch oder resistiv, lassen sich biologische Zellen in der Probe zählen. Gleichzeitig kann man bei einem Gemisch unterschiedlicher Zellarten die gewünschten mit einem Fluoreszenzmarker versehen. Im laminaren Fluss kann man so jede einzelne Zelle anregen und nur die, welche den Marker besitzen, werden eine optische Antwort geben. Hierbei kann aus dem Gemisch auch die Anzahl der relevanten Zellen bestimmt werden. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, durch beispielsweise einem Laserpuls, die Zelle aus einem der laminaren Ströme in einen anderen zu übertragen. Werden die unterschiedlichen laminaren Ströme anschließend voneinander getrennt, können die unterschiedlichen Zellen ebenfalls voneinander getrennt und separat weiter untersucht werden.
Viele Laboruntersuchungen werden heutzutage auf so genannte Lab-on-Chip- Systeme übertragen, damit die Bearbeitungszeit sinkt und menschliche Fehler vermieden werden können. Der technische Ansatz zum Fluidtransport wird meist entweder über Zentrifugalkräfte oder durch pneumatisches Pumpen des Fluids über eine Dexible Membran gelöst. Dabei entstehen aber meist keine laminaren Strömungen, da das Fluid in Schüben oder mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Durch den hier beschriebenen Strömungslaminarisierer können auch bei Pumpen, die ggf. keine laminaren Strömungen erzeugen, später noch laminare Bedingungen hergestellt werden, die dann in einer Analysestrecke einer Kartusche für ein Lab-on-Chip-System zur Anwendung kommen können.
Die hier beschriebene Vorrichtung, dass hier beschriebene Verfahren sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Fig. 1: eine Kartusche mit einer pneumatisch gesteuerten Pumpkammer mit anschließender Ausgleichskapazität,
Fig. 2a: eine weitere Ausführungsvariante einer Kartusche, Fig. 2b: die Ausführungsvariante aus Fig. 2a mit in einer Querschnittsansicht von oben
Fig. 3: eine weitere Ausführungsvariante einer Kartusche,
Fig. 4: ein Diagramm der Volumenströme in einer Kartusche
Fig. 5: ein Detail einer ersten Ausführungsvariante einer Analysestrecke, und
Fig. 6: ein Detail einer zweiten Ausführungsvariante einer Analysestrecke.
In Fig. 1 ist ein beispielhafter Mehrschichtaufbau eines mikrofluidischen Systems 16 mit hier beschriebenem Strömungslaminisierer 19 in einer Kartusche 15 gezeigt. Eine Strömungsrichtung 20 durch das mikrofluidische System 16 ist mit einem Pfeil angegeben. Die Kartusche 15 bzw. das mikrofluidische System 16 sind hier beispielhaft mit einem ersten Substrat 1 und mit einem zweiten Substrat 2 aufgebaut. Das mikrofluidische System 16 hat eine Pumpe 7, die mit einer Dexiblen Membran 3 dargestellt ist und die über einen pneumatischen Anschluss 29 pneumatisch betrieben werden kann. Die Pumpe 7 stellt die grundlegenden Funktionen für die mikroDuidische Steuerung bereit. Zwischen dem ersten Substrat 1 und dem zweiten Substrat 2 ist die Dexible Membran 3 der Pumpe 7 integriert und frei beweglich. In dem gezeigten mikroDuidischen System kann Flüssigkeit mit Hilfe der Pumpe 7 bzw. deren Dexibler Membran 3 in eine Pumpkammer 5 eingezogen und über ein Ventil 8 in eine benachbarte Ausgleichskapazität 9 überführt werden. In der Duidischen Ebene, in der sich die mikroDuidischen Kanäle 6 sowie die Ausgleichskapazität 9 befinden, herrscht in der Regel Atmosphärendruck. Durch aufeinanderfolgendes Pumpen der Flüssigkeit entstehen zunächst turbulente Strömungen 11 in der Ausgleichskapazität 9. Durch die Dexible Membran 3 können die durch die Pumphübe entstehenden, temporären Druckanstiege gedämpft oder vollständig abgefangen werden. Die Ausgleichskapazität 9 grenzt bevorzugt an ein eingeschlossenes Gasvolumen 13, welches komprimiert werden kann und so dazu geeignet ist, Druckschwankungen in der Ausgleichskapazität 9 auszugleichen. Damit stellt sich ein annährend laminarer Fluss am Auslass 10 der Ausgleichskapazität 9 ein. Durch ein mikroDuidisches Ventil 8 kann der mikroDuidische Pfad zwischen Pumpkammer 5 und Ausgleichskapazität 9 geöDnet oder geschlossen werden. Damit kann verhindert werden, dass beim Pumpvorgang Flüssigkeit von der Ausgleichskapazität 9 zurück in die Pumpkammer 5 gelangt.
An den Auslass 10 schließt sich die Analysestrecke 17 an, welche von der flüssigen Probe in Durchströmungsbereichen 18 durchströmt werden kann.
Die Figuren 2a, 2b und 3 zeigen weitere Ausführungsvarianten solcher mikrofluidischen Systeme 16 wobei Komponenten, die der Ausführungsvariante in Fig. 1 entsprechen, hier nicht erneut erläutert werden.
In der weiteren vorteilhaften Ausführungsform, die in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist, kann zwischen dem Auslass 10 und der Ausgleichskapazität 9 des mikroDuidischen Systems 16 eine zusätzliche mäanderförmige Kanalstruktur 12 angekoppelt sein. Diese mäanderförmige Kanalstruktur 12 kann zu einer weiteren Dämpfung der temporären Druckstöße und damit zu einer Ausbildung eines laminaren Flusses führen. In Fig. 2a ist diese Ausführungsform in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung gezeigt. Ein möglicher Aufbau der mäanderförmigen Kanalstruktur 12 ist in Fig. 2b gezeigt, wo ein Schnitt in senkrechter Ausrichtung zur Darstellung in Fig. 2a gewählt wird.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante ist noch ein zweites Ventil 14 zwischen Ausgleichskapazität 9 und der mäanderförmigen Kanalstruktur 12 angeordnet, welches geöDnet oder geschlossen werden kann. Mit diesem zweiten Ventil 14 kann verhindert werden, dass Flüssigkeit von der Kanalstruktur 12 zurück in die Ausgleichskapazität 9 gelangt. Durch dieses zweite Ventil 14 kann noch eine weitere Vergleichmäßigung der Strömung erreicht werden.
Fig. 4 zeigt in einem Diagramm des DurchDusses über die Zeit durch ein mikrofluidisches System 16 einer Kartusche. Horizontal ist die Zeitachse t abgebildet. Vertikal ist der Volumenstrom Q abgebildet. Dabei ist auf der linken Seite der Verlauf ohne Integration eines Strömungslaminarisierers 19, wie er hier beschrieben ist, dargestellt. Auf der rechten Seite dagegen ist der EinDuss des Strömungslaminarisierers 19 zu sehen. Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Analysestrecke 17 mit Durchströmungsbereichen 18. Daran anschließend ist ein Strömungserweiterer 21 bzw. ein Vereinzeler 28 zur Vereinzelung von Probenbestandteilen in den Durchströmungsbereichen 18 für verschiedene Teilsysteme 4 dargestellt. Zu erkennen ist, dass in den Durchströmungsbereichen 18 drei oder je nach Aufbau auch mehr laminare Ströme nebeneinanderlaufen, wobei transportierte Bestandteile 25 der Probe (hier Zellen) sich im mittleren Strom beDnden. Die Zellen bewegen sich nacheinander in dem laminaren Strom und können gezielt einem bestimmten Teilsystem 4 zugeführt werden.
Eine solche Analysestrecke ist in Fig. 6 nochmal mit weiteren Details dargestellt. Zu erkennen ist, dass Zellen sich in einer Reihe im laminaren Strom in einem Durchströmungsbereich 18 bewegen.
Eine Analyse der Probe findet in einem Sensorfenster 23 mit mindestens einem Sensor 24 statt, welcher optisch mit oder ohne Anregung einer Fluoreszenz oder Chemolumineszenz arbeiten kann. Eine Anregung von Zellen in der Probe und auch eine mögliche Größenbestimmung von Zellen ließe sich bspw. mit einem Laser als Sensor 24 realisieren. Ebenfalls denkbar wäre ein Sensor 24 für eine resistive Messung im Fluss selbst. Weitere Detektionsverfahren können ebenso integriert werden.
Hier auch dargestellt ist ein Sortiermittel 27 mit welchen Probenteile und insbesondere transportierte Bestandteile 25 der Proben (besonders bevorzugt Zellen) gezielt zwischen Durchströmungsbereichen 18 hin- und her bewegt werden können, um eine Sortierung zu erreichen. Ein Sortiermittel kann beispielsweise mit Flüssigkeitsdüsen ausgeführt sein, mit welchen eine seitliche Verschiebung von Flüssigkeitsabschnitten bzw. transportierten Bestandteilen 25/ Zellen erreicht werden kann.
Das Sortiermittel 27 kann auch einen Laser umfassen, um bestimmte Zellen aus ihrem ursprünglichen laminaren Strom in einen der anderen Ströme (Durchströmungsbereich 18) zu verschieben. Ein Zellgemisch kann so in unterschiedliche Zellarten sortiert werden. Als weitere Sortiermittel 27 können elektrische oder magnetische Felder verwendet werden. Weitere Sortiermechanismen sind vorstellbar.
Wesentlich für das Sortiermittel 27 ist, dass eine deDnierte Krafteinwirkung erfolgt mit welcher Probenbestandteile 25 in unterschiedliche Ströme gelenkt werden können.
Das Sortiermittel 17 kann mit dem Sensorfenster 23 gegebenenfalls auch überlappen, identisch sein oder vollständig davon getrennt sein. Nach der Detektion und einer möglichen Sortierung können die einzelnen laminaren
Ströme wieder aufgeteilt und die sortierten Zellen zur unterschiedlichen Weiterverarbeitung gebracht werden.
Rein schematisch ist hier auch ein Steuergerät 26 angeordnet, welches beispielsweise Zählfunktionen anhand von mit dem Sensor 24 ermittelten
Informationen ausführen kann oder welches auch zur Steuerung des Sortiermittels 27 eingerichtet sein kann.
An die Analysestrecke 17 anschließend ist hier ein Strömungserweiterer 21 dargestellt, der einen durchströmten Querschnitt 22 erweitert und welcher zur
Verteilung der Strömung in Teilsysteme 4 dient.

Claims

Ansprüche
1. Kartusche (15) mit einem mikrofluidischen System (16) für die automatisierte Durchführung einer Analyse einer zumindest teilweise flüssigen Probe, aufweisend eine Analysestrecke (17) mit mindestens einem Durchströmungsbereich (18) in welchem eine Analyse von Bestandteilen der Probe erfolgen kann und mindestens einem Strömungslaminarisierer (19), der in einer Strömungsrichtung (20) vor der Analysestrecke (17) angeordnet und dazu eingerichtet ist, eine laminare Strömung zu erzeugen, welche den Durchströmungsbereich (18) der Analysestrecke (17) durchströmt.
2. Kartusche (15) nach Anspruch 1, wobei in der Analysestrecke (17) mindestens zwei Durchströmungsbereiche (18) nebeneinander angeordnet sind und der Strömungslaminarisierer (19) dazu eingerichtet ist, laminare Teilströmungen zu erzeugen, wobei jeweils eine Teilströmung einen Durchströmungsbereich (18) der Analysestrecke (17) durchströmt.
3. Kartusche (15) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strömungslaminarisierer
(19) eine sich in Strömungsrichtung (20) an eine Pumpkammer (5) anschließende Ausgleichskapazität (9) umfasst.
4. Kartusche (15) nach Anspruch 2, wobei in Strömungsrichtung (20) vor der Ausgleichskapazität (9) ein erstes Ventil (8) angeordnet ist.
5. Kartusche (15) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Ausgleichskapazität (9) eine flexible Membran umfasst, die von einem in der Ausgleichskapazität (9) vorliegenden Druck verformt werden kann.
6. Kartusche (15) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in Strömungsrichtung
(20) hinter der Ausgleichskapazität (9) ein zweites Ventil (14) angeordnet ist.
7. Kartusche (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kartusche (15) dazu eingerichtet ist, mit einer Pumpe (7) zusammen zu wirken, mit welcher eine Durchflussgeschwindigkeit und ein Druckniveau durch eine Anpassung der Schaltfrequenz eingestellt werden kann.
8. Kartusche (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungslaminarisierer (19) eine in Strömungsrichtung (20) vor der Analysestrecke (17) angeordnete mäanderförmige Kanalstruktur (12) umfasst.
9. Kartusche (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungslaminarisierer (19) mindestens einen Strömungserweiterer (21) aufweist, welcher einen durchströmten Querschnitt (22) erweitert.
10. Kartusche (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens ein Sensorfenster (23), in welchem ein Sensor (24) eine laminare Strömung der Probe und/oder von der laminaren Strömung transportierte Bestandteile (25) der Probe in dem mindestens einen Durchströmungsbereich (18) analysieren kann.
11. Kartusche (15) nach Anspruch 10, wobei der Sensor (24) zur Erkennung von Zelltypen eingerichtet ist.
12. Kartusche (15) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Sensor (24) an ein Steuergerät (26) zum Zählen von Zellen angeschlossen ist.
13. Kartusche (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Analysestrecke (17) mindestens ein Sortiermittel (27) vorgesehen ist mit welchem von der laminaren Strömung transportierte Bestandteile (25) der Probe von einem Durchströmungsbereich (18) in einen weiteren Durchströmungsbereich (18) befördert werden können.
14. Kartusche (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Strömungsrichtung (20) hinter der Analysestrecke (17) ein Vereinzeler (28) angeordnet ist mit welchem von der laminaren Strömung transportierte Bestandteile (26) der Probe in einzelne Teilsysteme (4) des mikrofluidischen Systems (16) beförderbar sind.
PCT/EP2020/086091 2019-12-16 2020-12-15 Kartusche mit einem mikrofluidischen system für die durchführung einer analyse einer probe WO2021122511A1 (de)

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