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DE102007030347A1 - Integrierter Rotor - Google Patents

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DE102007030347A1
DE102007030347A1 DE102007030347A DE102007030347A DE102007030347A1 DE 102007030347 A1 DE102007030347 A1 DE 102007030347A1 DE 102007030347 A DE102007030347 A DE 102007030347A DE 102007030347 A DE102007030347 A DE 102007030347A DE 102007030347 A1 DE102007030347 A1 DE 102007030347A1
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Abstract

Eine Vorrichtung, bestehend aus einem rotierbaren Substrat mit Kavitäten aus Kanal- und Kammerstrukturen, in welchen Fluide aus der Drehbewegung resultierenden Scheinkräften ausgesetzt werden. Mindestens ein auf organischen Leitern basierendes Funktionselement wie etwa eine LED oder eine Photodiode ist mit dem rotierbaren Substrat verbunden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf rotierbare Substrate mit Kavitäten wie Kammern oder Verbindungskanälen, in welchen Fluide über durch Drehbewegung induzierte Scheinkräften ausgesetzt werden. Zu diesen Scheinkräften gehören die Zentrifugalkraft, die Eulerkraft und die Corioliskraft. Mit dem Rotor verbunden sind Funktionselemente, von welchen mindestens eines unter Verwendung organischer Halbleiter gefertigt ist.
  • Als Fluide werden im Allgemeinen Flüssigkeiten und Gase bezeichnet. Insbesondere sind in dieser Erfindung auch Gemische aus mehreren flüssigen, gasförmigen und festen Phasen sowie auch aus verschiedenen Substanzen eingeschlossen.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen befinden sich auf dem rotierenden Substrat mikrofluidische Strukturen, welche Flüssigkeitsmengen im Bereich von Millilitern bis hinunter zu Nanolitern führen. In diesen Volumenbereichen haben aufgrund der gegenüber makroskopischen Systemen stark vergrößerten Oberflächen-zu-Volumenverhältnisse über Oberflächenkräfte vermittelte Effekte wie Grenzflächenspannung, Oberflächenspannung und Viskosität einen bedeutenden Einfluss auf Fluide in den Mikrostrukturen.
  • Seit Ende der 1960er Jahre werden zentrifugal-fluidische Systeme zur integrierten und automatisierten Prozessführung, insbesondere für analytische und diagnostische Anwendungen entwickelt [Norman G. Anderson. Computer interfaced fast analyzers. Science, 166(3903): 317–324, 1969; Norman G. Anderson. Analytical techniques for cell fractions. XIV. Use of drainage syphons in a fast-analyzer cuvet-rotor. Analytical Biochemistry, 32(1): 59–69, 1969.].
  • Im Zuge der sich mit rasch voranschreitenden mikrofluidischen Lab-on-a-Chip bzw. μTAS (Micro Total Analysis System) Technologien traten seit anfang der 1990er Jahre auch immer mehr zentrifugal-betriebene „Lab-on-a-Disk" Systeme in Erscheinung [C. T. Schembri, V. Ostoich, P. J. Lingane, T. L. Burd, and S. N. Buhl. Portable simultaneous multiple analyte wholeblood analyzer for point-of-care testing. Clinical Chemistry, 38(9): 1665–1670, 1992; C. T. Schembri, T. L. Burd, A. R. Kopf-Sill, L. R. Shea, and B. Braynin. Centrifugation and capillarity integrated into a multiple analyte whole-blond analyzer. Journal of Automated Methods & Management in Chemistry, 17(3): 99–104, 1995; M. J. Madou and G. J. Kellogg. LabCD: A centrifuge-based microfluidic platform for diagnostics. In G. E. Cohn and A. Katzir, editors, Proceedings of SPIE – Systems & Technologies for Clinical Diagnostics & Drug Discovery, volume 3259, pages 80–93, 1998.].
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden über die Drehbewegung induzierte Scheinkräfte mit über die Grenzflächenspannung und die Geometrie der Kavitäten definierte Kapillarkräften, Siphonstrukturen oder bei Bedarf durch externe Stimuli wie Wärme, elektromagnetische Strahlung oder mechanische Einwirkung entfernbaren Opferschichten kombiniert. Somit lassen sich Funktionselemente wie fluidische Ventile, Schalter, Router, Dosierer und Mischer realisieren.
  • Zunächst lässt sich das vorwiegend dichteabhängige, durch Rotation bewirkte Liquid Handling weitgehend unabhängig von anderen, zwischen unterschiedlichen Proben oft stark schwankenden Flüssigkeitseigenschaften wie Viskosität und Oberflächenspannung gestalten.
  • Weiterhin ist das zentrifugale Pumpen anders als beispielsweise bei Kolben-, Spritzen- oder Zahnringpumpen aufgrund der kontinuierlichen, sich aufgrund der Massenträgheit des Rotors selbst stabilisierenden Drehbewegung intrinsisch pulsfrei. Fluktuationen der Druckquelle können bei vielen Anwendungen zu Problemen wie der Verzerrung von Flüssigkeitssegmenten, zur Bildung von Gasblasen durch Kavitation oder auch zur Destabilisierung von Grenzflächen in mehrphasigen Systemen führen.
  • Zudem werden in vielen Anwendungen zur Analyse oder zur Prozessierung von Flüssigkeiten störende Gasblasen durch die über das Zentrifugalfeld induzierte Auftriebskraft tendenziell aus der Flüssigkeit in Richtung Drehzentrum entfernt. Selbst in Gegenwart von Gasblasen bricht bei rotatorisch induzierten Volumenkräften – anders als bei vielen, nicht Gasblasen toleranten Mikroverdrängerpumpen – der Pumpeffekt nicht mit dem Eindringen von Gasblasen in die Verdrängerkammer zusammen.
  • Aufgrund der quasi „berührungslosen", zentrifugalen Kraftübertragung werden des weiteren keine druckdichten Schnittstellen, etwa zum Anschluss von externen Pumpen, benötigt. Ein Substratwechsel kann daher ohne aufwendiges Verbinden und Lösen druckdichter Schlauchverbindungen sehr benutzerfreundlich vollzogen werden. Damit erübrigen sich auch Problematiken wie Anschlusstechnik sowie Wartungs- und Verschleppungsprobleme, welche mit den nicht auf dem Einwegsubstrat befindlichen Totvolumina zusammenhängen.
  • Das rotierbare Substrat kann weiterhin beliebige Formen aufweisen. Bevorzugte Formate sind flache runde Scheiben, etwa von den Dimensionen einer handelsüblichen Compact Disc („CD") oder auch kuchenartige Kreissegmente und rechteckige Standard-Mikroskopträger („Slides"). Prinzipiell sind aber auch nicht-planare Substrate, etwa tiefgezogene Strukturen oder auch rotationssymmetrische Substrate wie Reaktionsröhrchen („Tubes") einsetzbar.
  • Die rotierbaren Substrate können aus einem Material oder auch einer Kombination von im Prinzip beliebigen Materialien, beispielsweise aus Polymeren, Silikonen, Glas, Silizium, Metall, Keramik oder auch aus Opfermaterialen wie Waxen, Hydrogelen, Ölen oder Folien sowie typischen stationären Phasen wie porösen Membranen, Vliesen, Fritten und aufgestauten Partikeln bestehen.
  • Das Substrat kann auch globale oder lokal begrenzte Beschichtungen aufweisen. Diese Beschichtungen können die Grenzflächenspannung zwischen dem Fluid und den Wänden der Kavitäten beeinflussen sowie als Barrieren für den diffusiven und konvektiven Stofftransport und zur thermischen, optischen oder elektrischen Isolation dienen.
  • Weiterhin können die Oberflächenbeschichtungen die Interaktion mit Fluidbestandteilen, z. B. von Nukleinsäuren, Proteinen, Teilchen oder Zellen, beeinflussen. Einerseits kann die unspezifische Adsorption unterdrückt oder auch über die spezifische Bindung an Sondenmoleküle Eigenschaften der fluidischen Probe, beispielsweise in Form eines Biosensors oder Mikroarrays, erfasst werden.
  • Die rotierbaren Substrate und darauf aufgebrachte Beschichtungen und Funktionselemente können weiterhin mit elektromagnetischer Strahlung Wechselwirken, z. B. über Wellenlängen spezifische Transmission, Absorption, Reflektion, Brechung, Wellenleitung oder über die Anregung von evaneszenten Feldern und Plasmonen.
  • Mittlerweile wurden zentrifugal-mikrofluidische Pendants von nahezu allen Einheitsoperationen der Laborautomatisation entwickelt, sodass sich auch das Liquid-Handling komplexerer Laborprotokolle vollständig darstellen lässt [M. Madou, J. Zoval, G. Jia, H. Kido, J. Kim and N. Kim. Lab an a CD. Annual Review of Biomedical Engineering, 8: 601–628, 2006; M. Gustafsson, D. Hirschberg, C. Palmberg, H. Jörnvall, and T. Bergman. Integrated sample preparation and MALDI mass spectrometry an a microfluidic compact disk. Analytical Chemistry, 76(2): 345–350, 2004; Mats Inganäs, Helene Dérand, Ann Eckersten, Gunnar Ekstrand, Ann-Kristin Honerud, Gerald Jesson, Gunnar Thorsén, Tobias Söderman, and Per Andersson. Integrated microfluidic compact disc device with potential use in both centralized and point-of-care laboratory settings. Clinical Chemistry, 51(10): 1985–1987, 2005; Michael J. Pugia, Gert Blankenstein, Ralf-Peter Peters, James A. Profitt, Klaus Kadel, Thomas Willms, Ronald Sommer, Hai Hang Kuo, and Lloyd S. Schulman. Microfluidic tool box as technology platform for hand-held diagnostics. Clinical Chemistry, 51(10): 1923–1932, 2005; J. Steigert, M. Grumann, T. Brenner, K. Mittenbühler, T. Nann, J. Rühe, I. Moser, S. Haeberle, L. Riegger, J. Riegler, W. Bessler, R. Zengerle, and J. Ducrée. Integrated sample preparation, reacting and detection an a highfrequency centrifugal microfluidic platform. JALA – Journal of the Association for Laboratory Automation, 10(5): 331–341, 2005.].
  • Auf das rotierbare Substrat können prinzipiell beliebige Funktionselementen wie etwa zur Temperaturführung, zur Druckgeneration, zur mechanischen Interaktion, zur Spannungserzeugung, zur Energieerzeugung, zur Energiewandlung, zur Erzeugung von Oberflächenwellen, zur Erzeugung von Plasmen, zur Erzeugung von evaneszenten Feldern, zur Energieversorgung, zur optischen Strahlführung wie Linsen, Gitter, Prismen, Filter, Verspiegelungen, oder Wellenleitern sowie zur Übertragung, Verarbeitung, Speicherung und Visualisierung von Daten aufgebracht werden.
  • Diese Funktionselemente und deren Schnittstelle zum rotierbaren Substrat müssen den auf sie wirkenden Scheinkräften standhalten.
  • Auch die Wechselwirkung von Funktionselementen auf dem rotierbaren Substrat mit ortsfesten Komponenten kann ausgenutzt werden.
  • Beispielsweise wurden auf dem rotierbaren Substrat V-Nuten zur Totalreflektion (TIR) eines senkrecht, also von oben auf das Substrat einfallenden Strahls integriert [M. Grumann, J. Steigert, L. Riegger, I. Moser, B. Enderle, G. Urban, R. Zengerle, and J. Ducrée. Sensitivity enhancement for colorimetric glucose assays an whole blond by an-chip beam-guidance. Biomedical Microdevices, 8(3): 209–214, 2006.]. Bei einem Anstellwinkel von 45° lenken diese Komponenten den Strahl in die Substratebene um und können so beispielsweise die Weglängen für die Vermessung optischer Absorption in für Lab-on-a-Chip Systemen typischen, flachen Kammern verlängern.
  • Weiterhin können Grenzflächen von Flüssigkeiten und Gasen, beispielsweise zur Füllstandsbestimmung, erfasst werden [F. Bundgaard, O. Geschke, R. Zengerle, and J. Ducrée. A simple opto-fluidic switch detecting liquid filling in polymer-based microfluidic systems. In Proceedings of the 14th International Conference an Solid-State Sensors, Actuators & Microsystems (Transducers'07), June 10–14, Lyon, France, volume 1, pages 759–762, 2007.].
  • Auch eine mechanische Aktorik kann über die Drehbewegung auf dem rotierenden Substrat bewirkt werden. So kann man über die Drehbewegung eine periodische Wechselwirkung zwischen mitrotierenden und entsprechend gepolten ortsfesten Magneten herbeiführen.
  • Auf diese Weise wurde beispielsweise eine über Magnete, welche in den elastischen Deckel des rotierbaren Substrats eingelassen sind, eine Pumpfunktion realisiert [S. Haeberle, N. Schmitt, R. Zengerle, and J. Ducrée. Centrifugo-magnetic generation of gas-liquid microflows. Sensors & Actuators A – Physical, 135(1): 28–33, 2007].
  • Weiterhin wurden mit magnetischen Beads in der Substratbasierten Kammer ein effizienter Mischer demonstriert [M. Grumann, A. Geipel, L. Riegger, R. Zengerle, and J. Ducrée. Batch-mode mixing with magnetic beads an centrifugal microfluidic platforms. Lab an a Chip, 5(5): 560–565, 2005.].
  • Falls das rotierbare Substrat den Charakter eines kostengünstigen Einwegteils einnehmen soll, so sind für die Integration dieser weiteren Funktionselemente kostengünstige Materialen, Herstellungsprozesse und Verbindungstechnologien wie beispielsweise Dickschichttechnologien, Stempel, Druckverfahren oder auch eine „Reel-to-Reel"-Fertigung einzusetzen.
  • Fluide wie Probenflüssigkeiten oder Reagenzien können entweder durch zusätzliche Dispenser oder Pipettoren im Peripheriegerät dem rotierenden Substrat über entsprechende Einlässe in Ruhe oder auch während der Rotation zugeführt werden.
  • Reagenzien können aber auch auf dem rotierbaren Substrat flüssig vorgelagert werden. Hierzu werden durch zumindest abschnittsweise über externe Stimuli wie elektromagnetische Strahlung, Wärme oder mechanische Einwirkung entfernbare Diffusionsbarrieren zur Kompartimentierung der vorgelagerten Flüssigkeitsvolumina eingesetzt.
  • Solche Flüssigkeiten können auch in trockener Form vorgelegte oder lyophilisierte Reagenzien auflösen.
  • Es wurden zudem stroboskopische Messplätze entwickelt, welche die Beobachtung von fluidischen Vorgängen während der Rotation mittels stationärer Kameras oder Detektoren realisieren [M. Grumann, T. Brenner, C. Beer, R. Zengerle, and J. Ducrée. Visualization of flow patterning in high-speed centrifugal microfluidics. Review of Scientific Instruments, 76(2): 025101, 2005; Chern-Sheng Lin, Chia-Hau Lin, Chao-Ying Wu, Hong Zong Shieh and Chi-Chih Lay. Rotation rate measurement of a microfluidic biodisk spinner and automatic adjustment for the pulsed light source. Optics & Laser Technologies, 39(1): 202–209, 2007.].
  • Für ausgewählte Anwendungen in der Labormedizin konnte schon gezeigt werden, dass sich das Peripheriegerät im wesentlichen auf einen Drehmotor mit Strahlquelle und einen Detektor, also insgesamt auf einen handelsüblichen oder nur unwesentlich modifizierten Compact Disc/DVD Player zurückführen lässt [L. Riegger, M. Grumann, J. Steigert, S. Lutz, C. P. Steinert, C. Mueller, J. Viertel, O. Prucker, J. Rühe, R. Zengerle, and J. Ducrée. Single-step centrifugal hematocrit determination an a 10-$ processing device. Biomedical Microdevices, 2007. Status: online first (doi:10.1007/s10544-007-9091-1); L. Riegger, J. Steigert, S. Lutz, W. Streule, R. Zengerle, and J. Ducrée. Automated hematocrit measurement and Patient data labelling by a commercial DVD-writer with a lowcost optical add-on. In Jean-Louis Viovy, editor, Proceedings of the llth International Conference an Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS2007), Oktober 7–11, Paris, France. Chemical and Biological Microsystems Society, 2007. Status: akzeptiert, Publikation in den Verhandlungen der Konferenz am 7. Oktober 2007.].
  • Solche Platz sparenden Geräte sind heute (Mitte 2007) schon für einen Preis deutlich unter 20 EUR kommerziell erhältlich. Wartungskosten fallen in der Regel kaum an. Gegenüber anderen Lab-on-a-Chip Technologien stellt der geringe Preis für die assoziierte Peripherie ebenso wie die hohe Bedienfreundlichkeit einen möglicherweise kommerziell ausschlaggebenden Wettbewerbsvorteil dar.
  • In manchen Anwendungen kann es sinnvoll sein Strahlung zwischen ortsfesten Komponenten und dem Rotor zu übertragen. Beispiele hierfür sind Sender und Empfänger für Datensignale. Z. B. kann ein rotierender Sender Messdaten vom Rotor auf einen stationären Empfänger übertragen oder eine stationäre Steuereinheit kann Komponenten auf dem Rotor regeln. Sowohl der Austausch von analogen als auch von digitalen Signalen ist möglich.
  • Weiterhin lässt sich beispielsweise Strahlungsenergie von einer ortsfesten Strahlungsquelle berührungslos über eine mitrotierende, photovoltaische Zelle in elektrische Leistung zur Versorgung mitrotierender Funktionselemente verwenden. Wenn die photovoltaische Zelle beispielsweise zentrische Kreise oder Ringe überdeckt, so lässt sich auch mit einer ortsfesten Strahlungsquelle unabhängig von der Drehzahl eine durch die zeitliche Modulation der Strahlung bestimmte Leistung auf dem Rotor bereitstellen.
  • Allerdings lassen sich nur sehr schwer von der Rotationsbewegung entkoppelte Komponenten realisieren, was besonders bei der Detektion und der Erzeugung von der Zentrifugalkraft und der Rotationssymmetrie unabhängiger Einflussgrößen ein ernsthaftes technisches Problem darstellen kann.
  • Ein Beispiel für eine solche Technologie stellt ein Batteriebetriebenes Elektrodensystem zur zentrifugal-dielektrophoretischen Separation von Zellen dar [M. Boettcher, M. S. Jaeger, L. Riegger, J. Ducrée, R. Zengerle, and C. Duschl. Labon-chip-based cell separation by combining dielectrophoresis and centrifugation. Biophysical Reviews & Letters, 1(4): 443–451, 2006.]. Allein schon aus Kosten- und Sicherheitsgründen blieben solche mehrkomponentigen Hybride aber bisher auf das akademische Umfeld beschränkt.
  • Diese Erfindung liefert einen neuen technischen Ansatz auf der Basis der in den 1960er entdeckten [R. McNeill, R. Siudak, J. H. Wardlaw, D. E. Weiss. Electronic conduction in polymers. I. The chemical structure of polypyrrole. Australian Journal of Chemistry, 16(6): 1056–1075, 1963 sowie nachfolgende Artikel auf den Seiten 1076–1089 und 1090–1103 in der selben Ausgabe] und in den 1970er Jahren wiederentdeckten [C. K. Chiang, C. R. Fincher Jr., Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, Alan G. MacDiarmid. Electrical conductivity in doped polyacetylene. Physical Review Letters, 39(17): 1098–1101, 1977] organischen Leiter.
  • Stimuliert durch die verbesserte Prozessierbarkeit organischer Materialien [J. H. Burroughes, D. D. C. Bradley, A. R. Brown, R. N. Marks, K. Mackay, R. H. Friend, P. L. Burns, A. B. Holmes. Light-emitting diodes based an conjugated polymers. Nature, 347(6293): 539–541, 1990.] ließen sich seit den 1990er Jahren insbesondere als elektrolumineszent oder heutzutage meist nur als „EL" bezeichnete Funktionselemente wie LEDs (light emitting diode) auf sehr kostengünstige und technisch vorteilhafte Weise herstellen [R. H. Friend, R. W. Gymer, A. B. Holmes, J. H. Burroughes, R. N. Marks, C. Taliani, D. D. C. Bradley, D. A. Dos Santos, J. L. Bredas, M. Lögdlund, W. R. Salaneck. Electroluminescence in conjugated polymers. Nature, 397(6715): 121–128, 1999.]. Gegenwärtig (Mitte 2007) werden schon auf organischen Leitern basierende Flachbildschirme kommerziell angeboten.
  • Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass Komponenten auf Basis organischer leitender EL Schichten auch als Photodioden eingesetzt werden können [G. Yu, C. Zhang, A. J. Heeger. Applied Physics Letters, 64(12): 1540–1542, 1994.].
  • Aus der Literatur sind verschiedene Funktionselemente auf Basis organischer Leiter bekannt. Das sind beispielsweise LEDs und daraus aufgebaute Displays [G. Parthasarathy, G. Gu, S. R. Forrest. A full-color transparent metal-free stacked organic light emitting device with simplified Pixel biasing. Advanced Materials, 11(11), 907–910, 1999.], Photodioden [G. Yu, C. Zhang, A. J. Heeger. Dual-function semiconducting polymer devices: Light-emitting and photodetecting diodes. Applied Physics Letters, 64/12): 1540–1542, 1994], photovoltaische Zellen [G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger). Polymer photovoltaic cells: Enhanced efficiencies via a network of internal donor-acceptor heterojunctions. Science, 270(5243): 1789–1791, 1995.], Transistoren und daraus aufgebaute elektronische Schaltkreise [C. D. Dimitrakopoulos and D. J. Mascaro. Organic thin-film transistors: A review of recent advances. IBM Journal of Research & Development, 45(1): 11–27, 2001.], Batterien [Patentschrift US 5,637,421 ], Cantilever [F. Hua, T. Cui, Yuri M. Lvov. Ultrathin cantilevers based an polymer-ceramic nanocomposite assembled through layer-by-layer adsorption. Nano Letters, 4(5): 823–825, 2004.] und Sensoren [T. Someya, Y. Kato, T. Sekitani, S. Iba, Y. Noguchi, Y. Murase, H. Kawaguchi, T. Sakurai. Conformable, flexible, large-area networks of pressure and thermal sensors with organic transistor active matrixes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 102(35): 12321–12325, 2005.].
  • Auch in der „Lab-on-a-Chip" Community wurden schon Möglichkeiten der opto-fluidischen Systemintegration betrachtet [R. Yang, M. Wu, G. Jin. Integrated micro-optical and microfluidic system for micro total analysis system. Proceedings of SPIE, 4177: 194–197, 2000; A. M. Jorgensen, K. B. Mogensen, J. P. Kutter, Oliver Geschke. A biochemical microdevice with an integrated chemiluminescence detector. Sensors & Actuators B, 90(1–3): 15–21, 2003; K. B. Mogensen, H. Klank, J. P. Kutter. Recent developments in detection for microfluidic systems. Electrophoresis, 25(21–22): 3498–3512, 2004.]
  • Die Verfügbarkeit von LEDs und Photodioden auf Basis organischer Leitermaterialien legte den Einsatz von organischen LEDs als Strahlquelle, organischen Photodioden als Detektor zur Erfassung optischer Eigenschaften von dazwischen liegenden, optisch mit dem Strahl wechselwirkenden Schichten nahe [Patentschrift US 5,629,533 ]. Insbesondere wurden in einer solchen optischen Anordnung auch Fluide untersucht [Patentschrift US 6,331,438 B1 ].
  • Eine beispielhafte Anordnung ist in 3 dargestellt. Ein rotierbares Substrat (30) weist eine Kavität (31) auf, welche sich zwischen einer LED (33; 34; 36) und einer Photodiode (32; 35; 37) befindet. Beide optischen Elemente sind prinzipiell gleich aufgebaut. Bei der LED (33; 34; 36) befindet sich eine organische EL Schicht (33) zwischen einer Kathode (36) und einer transparenten Anode (34). Strahlung wird von der LED bei Anlegen einer Spannung emittiert.
  • Bei der Photodiode (32; 35; 37) wird durch Einfall von elektromagnetischer Strahlung durch die transparente Anode (37) auf die EL-Schicht (32) eine Spannungsdifferenz zwischen den zwischen Anode (37) und Kathode (35) erzeugt.
  • Speziell bei Fluoreszenzmessungen können auch noch Emissions- und Detektionsfilter in den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Detektor vorgesehen werden.
  • Möglich ist auch die räumlich über einen Erfassungsbereich aufgelöste Erfassung von Eigenschaften eines Fluids über ein Feld von Photodioden.
  • Auch in nicht miniaturisierten, aber nicht rotierenden Analysesystemen (Lab-on-a-Chip) wurden schon organisch leitende Strahlquellen und Photodioden eingesetzt [Patentschriften GB 000002369428 A ; US 000006995348 B2 ; AT 000000500855 B1 ; WO 002006026796 A1 ], [O. Hofmann, P. Miller, P. Sullivan, T. S. Jones, J. C. deMello, D. D. C. Bradley, A. J. deMello. Thinfilm organic photodiodes as integrated detectors for microscale chemiluminescence assays. Sensors & Actuators B, 106(2): 878–884, 2005; O. Hofmann, X. Wang, J. Huang, S. Atkins, P. Sullivan, D. D. C. Bradley and A. J. DeMello and J. C. De Mello. Integrated sensors for point-of-care detection. Proceedings of SPIE, 5938, 59380H, 2005.].
  • Zum Zwecke von Fluoreszenzmessung wurden spezielle räumliche Anordnungen gewählt [X. Wang, O. Hofmann, J. Huang, E. M. Barrett, R. Das, A. J. de Mello, J. C. de Mello, D. D. C. Bradley. Organic light emitting diodes and photodetectors: Toward applications in lab-on-a-chip portable devices. Proceedings of SPIE, 6036, 603610, 2006.] und auch schon adäqua te Filter integriert [O. Hofmann, X. Wang, A. Cornwell, S. Beecher, A. Raja, D. D. C. Bradley, A. J. deMello, J. C. de-Mello. Monolithically integrated dye-doped PDMS long-pass filters for disposable an-chip fluorescence detection Lab an a Chip, 6(8): 981–987, 2006]. Gegenwärtig (Mitte 2007) werden (bio-)analytische Lab-on-a-Chip Systeme schon von Firmen wie Acron Genomics (GB, http://www.acrongen.com)/Molecular Vision (GB, http://www.molecularvision.co.uk), Nanoident (Österreich, http://www.nanoident.com)/Bioident (USA, http://www.bioident.com) zu Demonstratoren und ersten Produkten entwickelt.
  • Heute bekannte Herstellungstechnologien für Funktionselemente aus organischen Leitern hängen von dessen Beschaffenheit, besonders auch den tolerierbaren Prozesstemperaturen ab. Kleine Moleküle lassen sich beispielsweise durch Gasabscheidung auf dem Substrat deponieren [S. R. Forrest. Ultrathin organic films grown by organic molecular beam deposition and related techniques. Chemical Reviews, 97(6): 1793–1896, 1997.].
  • Weitere Verfahren sind beispielsweise Transfertechniken nach dem Tintenstrahl-[H. Sirringhaus, T. Kawase, R. H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu, E. P. Woo. High-resolution inkjet printing of all-polymer transistor circuits. Science, 290(5499): 2123–2126, 2000.], Siebdruck-[J. A. Rogers, Z. Bao, V. R. Raju. Nonphotolithographic fabrication of organic transistors with micron feature sizes. Applied Physics Letters, 72 (21): 2716–2718, 1998; D. A. Pardo, G. E. Jabbour, N. Peyghambarian. Application of screen printing in the fabrication of organic light-emitting devices. Advanced Materials, 12(17): 1249–1252, 2000.] oder Stempelprinzip [B. Goss Levi. New printing technologies raise hopes for cheap plastic electronics. Physics Today, 54(2): 20–22, 2001.]. Weiterhin sind lithographische [J. Huang, R. Xia, Y. Kim, X. Wang, J. Dane, O. Hofmann, A. Mosley, A. J. de Mello, J. C. de Mello, D. D. C. Bradley. Patterning of organic devices by interlayer lithography. Journal of Materials Chemistry, 17(11): 1043–1049, 2007.] und kapillar getriebene [K. S. Lee, G. B. Blanchet, F. Gao, Y.-L. Loo. Direct patterning of conductive water-soluble polyaniline for thin-film organic electronics. Applied Physics Letters, 86(7): 074102, 2007.] Verfahren aus der Literatur bekannt.
  • Einerseits ist eine hybride Aufbautechnik möglich. Hierbei werden separat hergestellte, ggf. auch kommerziell erhältliche Elemente wie beispielsweise OLEDs mit rotierbaren Substrat über aus der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) bekannte Methoden wie Klebe- oder Klemmtechniken verbunden. Die Substrate können jeweils mechanisch starr oder flexibel sein.
  • Andererseits können, eine entsprechende Materialien- und Prozessverträglichkeit vorausgesetzt, weitere organische und auch nicht-organische Funktionselemente direkt auf den Fluid führenden, rotierbaren Substrat hergestellt werden.
  • Zum Schutz der Substrate vor dem Kontakt mit nicht kompatiblen, physiko-chemischen Bedingungen wie Feuchtigkeit oder chemisch aggressiven Stoffen können in beiden Herstellungsvarianten zumindest abschnittsweise Zwischenschichten mit geeigneten Barriereeigenschaften eingefügt werden.
  • Diese Erfindung setzt organische Leitermaterialien erstmals auf rotatorischen Plattformen ein, auf welchen Fluide über die Steuerung der Drehfrequenz Scheinkräften wie der Zentrifugal-, Euler-, und Corioliskraft unterworfen werden.
  • 1 zeigt den Querschnitt eines rotierbaren Substrats (10) mit einer Verdeckelung (11), welches von einem Drehvorrichtung (12) um die Drehachse (13) rotiert wird. Das rotierbare Substrat weist Kavitäten (14) zur Aufnahme von Fluiden auf und ist mit einer Strahlquelle (15) und einem Photodetektor (16) verbunden. Erfindungsgemäß basiert mindestens eines dieser Elemente auf einem organischen leitenden (EL) Material.
  • 2 zeigt die Aufsicht eines rotierbaren Substrats (20) mit einer Kavität (21), welche sich um die Drehachse (22) in einer bestimmten Drehrichtung (23) bewegt.
  • Durch die erfindungsgemäße Zusammenführung von rotierbaren Substraten mit Funktionselementen auf der Basis von organischen Leitern lassen sich die oben aufgeführten Vorteile der über die Drehbewegung gesteuerten Hydrodynamik mit den Vorteilen des Einsatzes von Komponenten, welche auf organischen Leitern basieren, zusammenführen.
  • Die oben aufgeführten Vorteile des Handlings der Flüssigkeiten durch rotatorisch induzierte Scheinkräfte lassen sich wie folgt zusammenfassen:
  • – Robustes Handling von Fluiden, welches weitgehend unabhängig von Flüssigkeitseigenschaften wie Viskosität und Oberflächenspannung gestaltet werden kann.
    • – Pulsfreie Aktorik.
    • – Tendenz zur Beseitigung von Gasblasen.
    • – Keine druckdichten Schnittstellen erforderlich, dadurch benutzerfreundlicher Substratwechsel und geringer Wartungsaufwand.
    • – Vereinfachtes Peripheriegerät, welches sich im Idealfall auf einen einfachen, frequenzsteuerbaren Drehmotor, ggf. ergänzt durch Dispensier- und Detektionseinheiten, zurückführen lässt.
  • Die Vorteile der Verwendung von auf organischen Leitern basierenden Funktionselementen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
    • – Integration von leistungsfähigen und ggf. auch großflächigen Funktionselementen wie LEDsOLED-Displays, Photodioden, photovoltaischen Elementen und Elektronik zu Herstellungskosten, welche im Gegensatz zur Realisierung durch konventionelle Halbleiterkomponenten die Auslegung der Substrate als Einweglösungen erlauben. – Durch Verwendung des integrierten Systems als Einwegteil entfällt auch die Notwendigkeit einer fluidischen Reinigung damit auch das Problem der Verschleppung von Probenmaterial. – Andererseits erübrigt sich das Problem der vergleichsweise geringen Lebensdauern von Funktionselementen auf Basis organischer Leiter.
    • – Die Systemintegration erlaubt kurze Signalwege, z. B. zur Vermeidung von Strahlaufweitung, Streueffekten und Hintergrund bei der optischen Detektion.
  • Der Synergieeffekt geht dabei aber deutlich über die reine Addition der Einzeleffekte hinaus. Dabei lassen sich besonders gegenüber stationären Lab-on-a-Chip Systemen und konventionellen Zentrifugal-Analysatoren einige wichtige, gerade im Hinblick auf eine erfolgreiche Kommerzialisierung möglicherweise ausschlaggebende Vorteile aufzeigen.
  • Gegenüber herkömmlichen zentrifugalen Analysatoren mit ortsfesten Detektoren und Lichtquellen bringt diese weitergehende Systemintegration des Rotors folgende Synergien:
    • – Möglichkeit der Wechselwirkung mit dem Fluid oder der Erfassung von Eigenschaften des Fluids unabhängig von dem zumeist auf die zentrifugale Hydrodynamik optimierten Verlauf der Drehzahl.
    • – Erhöhung der Sensitivität bei der Erfassung von Eigenschaften des Fluids durch die Möglichkeit einer kontinuierliche Erfassung von Eigenschaften des Fluids.
    • – Einfache Aufbereitung des kontinuierlich erfassten Signals, gerade auch bei simultanem Auslesen mehrerer, paralleler Erfassungsstrukturen auf dem gleichen rotierbaren Substrat.
    • – Erhöhung der Sensitivität bei der Erfassung von Eigenschaften des Fluids durch den direkten Strahlgang mit kammernaher Anregung und Messung.
  • Die Messwerterfassung über mitrotierende Detektoren erfordert oftmals die Übertragung der erfassten Daten von dem rotierbaren Substrat auf einen stationären Empfänger oder eine Zwischenspeicherung der erfassten Daten auf dem rotierbaren Substrat. Zu diesem Zweck können Elemente zur elektronischen Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Daten auf dem rotierbaren Substrat integriert werden. Diese Komponenten der Datenverarbeitung können beispielsweise aus bekannten mikroelektronischen oder opto-elektronischen Funktionselementen auf Basis von organischen Leitern bereitgestellt werden.
  • Ebenfalls möglich ist eine Datenübertragung über elektrische leitende Vias, beispielsweise vom Detektor über auf das rotierbare Substrat aufgedruckte Leiterbahnen auf die zentrale Drehspindel, welche die Daten über Schleifkontakte auf ortfeste Empfänger weiterleitet.
  • Auch kann eine mitrotierbare, gerichtet emittierende LED bei entsprechender Ausrichtung in Richtung der Drehachse kontinuierlich optische Signale auf einen auf der Drehachse positionierte Empfänger übertragen.
  • Beispiele für solche Anordnungen sind in 4 gezeigt. Ein rotierbares Substrat (40) mit einer Kavität (41) wird um die Achse (42) gedreht. Auf dem Substrat (40) befindet sich eine Signalquelle (43), z. B. eine LED, welche ein Signal (44) berührungslos auf den koaxial zur Drehachse (42) platzierten Detektor (45), z. B. eine Photodiode, sendet.
  • In einer ähnlichen Konfiguration in 4 kann auch der Sender (46) koaxial platziert werden, so dass das Signal (44) auf einer ortsfesten Bahn zum stationären Detektor (45) gelangt.
  • Aufgrund der Umkehrbarkeit der Strahlwege lassen sich Sender und Empfänger gegeneinander austauschen, so dass Funktionselemente auf dem rotierbaren Substrat beispielsweise auch Steuersignale von einem ortsfesten Sender empfangen könnten.
  • Die Daten können über das Peripheriegerät auf einer Anzeigevorrichtung wie einem Bildschirm oder einem Drucker ausgegeben werden. Zudem ist eine Anzeige der Daten auf einem mit dem Substrat verbundenen Bildschirm, z. B. einem OLED-Display, möglich.
  • Dem stroboskopischen Prinzip folgend könnte sogar ein mitrotierendes Display oder eine andere mitrotierende, dem menschlichen Auge erfassbare Signalquelle dem Benutzer während der Rotation Informationen in einem quasi stehenden Bild anzeigen. Dabei kann das Informationsfeld entweder mit einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz angeblitzt werden oder seine aktive Darstellung entsprechend oszillieren.
  • Weiterhin können Daten in für Menschen oder Maschinen lesbarem Format, beispielsweise als alphanumerischer Wert, als Graphik oder Barcode, über die LightScribeTM-Technologie auf das rotierbare Substrat geschrieben werden.
  • Zudem ist eine Speicherung der Daten auch auf einem substratbasierten Datentrack, wie etwa im Format beschreibbarer CDs (Compact Disc) oder DVDs (Digital Video Disc), möglich.
  • Potentielle Anwendungen der hier beschriebenen Erfindung liegen in Feldern, wie sie beispielsweise für herkömmliche mikrofluidische Technologien aufgeführt werden [J. Ducrée and R. Zengerle, editors. FlowMap – Microfluidics roadmap for the life sciences. Books an Demand GmbH, Norderstedt, Germany, 2004. ISBN 3833407441.]. Vom Marktpotential her sind hierbei Anwendungen in der Analytik, Bioanalytik und medizinischen Diagnostik hervorzuheben. Beispiele hierfür sind die klini sche Chemie, Toxikologie, Serologie, Immundiagnostik, moleklare Diagnostik inklusive PCR, Proteinkristallisation und Zellanalytik.
  • Weitere Anwendungen liegen in der zentrifugalen Mikroverfahrenstechnik, beispielsweise bei der Erzeugung und Behandlung von mehrphasigen Systemen und Mikrokugeln.
  • Aufgrund der Kompaktheit, Benutzerfreundlichkeit, Portabilität und der Kosten bietet sich neben dem Einsatz in der Forschungslaboren und in medizinischen Großlaboren insbesondere der dezentrale und zeitnahe Einsatz (z. B. Felduntersuchungen in der Landwirtschaft, Flugsicherheit) oder der Einsatz nah beim Patienten an (z. B. „so genanntes „point-of-care testing", „patient self-testing" oder „bedside testing").
  • Zusammenfassend betrifft die hier beschriebene Erfindung rotierbare Substrate mit Kavitäten zur Aufnahme, Aufbereitung, Prozessführung oder Analyse von Fluiden, vorwiegend Flüssigkeiten. Das rotierbare Substrat wird mit mindestens einem weiteren Funktionselement auf Basis organischer Leiter oder Halbleiter verbunden.
  • Das rotierbare Substrat kann neben weiteren organischen auch mit nicht-organischen Funktionselementen verbunden werden. Wie die organischen Funktionselemente können auch die nicht-organischen Funktionselemente unabhängig vom Substrat mit für die Materialen bekannten Verarbeitungsprozessen hergestellt und dann hybrid integriert werden. Auch eine Herstellung direkt auf dem rotierbaren Substrat ist je nach der Verträglichkeit des Herstellungsprozesses mit dem rotierbaren Substrat möglich.
  • Diese Funktionselemente können beispielsweise übliche Komponenten zur fluidischen Prozessführung, Prozessüberwachung, Energieversorgung, Energiewandlung, zur elektrischen und elektronischen Beschaltung, Temperaturführung, Erzeugung und Detektion von elektromagnetischer Strahlung, zur optischen Strahlführung, Datenverarbeitung, Datenspeicherung, Datenkommunikation oder zur Anzeige von Informationen für den Benutzer dienen.
  • Beispiele für die Zusatzelemente aus organischen Halbleitern sind Photodioden zur Chemilumineszenz-Detektion, welche zusammen mit einer Anregungsquelle (z. B. eine „OLED" oder Polymer-LED – „pLED") auch für Absorptions- oder Fluoreszenzmessungen geeignet sind. Weiter vorstellbar sind Peltier- und Heizelemente zur Temperaturführung oder zum Öffnen von thermisch sensitiven Opferschichten, Elemente zur Energieeinkopplung, z. B. photovoltaische Zellen, zur Energiespeicherung auf dem rotierbaren Substrat, z. B. Batterien, zur Datenverarbeitung, Speicherung und Kommunikation (Kommunikation mit stationärer Sende-/Empfangseinheit, z. B. IR oder optisch). Die Resultate können dem Benutzer entweder auf einem stationären Gerät, z. B. einem PDA, oder auch über eine mitrotierbares Display oder z. B. auch über die LightScribeTM-Technologie dargestellt werden.
  • Durch Substrat-integrierte Heiz- und Kühlelemente lassen sich zusammen mit Thermometer-Feedback auch Inkubationstemperaturen konstant halten oder Temperaturrampen wie bei der PCR zeitlich und örtlich sehr genau kontrollieren. Selbst lokal unterschiedliche Temperaturregime lassen sich beispielsweise bei paralleler (simultaner) Prozessführung oder sequentiellen Durchlaufen verschiedener Temperaturzonen auf dem gleichen Substrat gut implementieren.
  • Die Integration des Substrats kann soweit führen, dass sich die Peripherie auf einen konzeptionell einfachen, frequenzsteuerbaren Drehmotor reduziert. Durch den Einsatz kostengünstiger Materialien und damit assoziierten Herstellungstechnologien lässt sich das rotierbare Substrat als in der medizinischen Diagnostik übliches Einwegteil auslegen, was das System sehr wartungsarm macht und gleichzeitig Probleme, welche z. B. mit der vergleichsweise geringen Lebensdauer der organischer EL Materialien verknüpft sind, in der Praxis erübrigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (28)

  1. Rotierbares Substrat mit Kavitäten für die Aufnahme von Fluiden, und mindestens einem mit dem Substrat verbundenen Funktionselement, welches unter Verwendung organischer Halbleiter gefertigt ist, wobei die Fluide durch die kontrollierbare Drehbewegung des Substrats Scheinkräften ausgesetzt werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Fluid eine Flüssigkeit, ein Gas, eine Suspension von Teilchen oder ein Gemisch aus mehreren Phasen oder Substanzen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende oder ortsfeste Funktionselemente mit dem Fluid Wechselwirken.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher Kavitäten auf dem rotierbaren Substrat von außen fluidisch zugänglich sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Kavitäten charakteristische Abmessungen unterhalb von einem Millimeter aufweisen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher Kavitäten auf dem rotierbaren Substrat zusammen mit mindestens einem Funktionselement eine Struktur zur Erfassung von Eigenschaften des Fluids bilden.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher Funktionselemente Detektoren zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung sind. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher Funktionselemente Quellen elektromagnetischer Strahlung sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Erfassungsstruktur optische Eigenschaften wie Chemilumineszenz, Biolumineszenz, Fluoreszenz und optische Dichte erfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher Funktionselemente über Schallwellen mit dem Fluid Wechselwirken.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher Funktionselemente eine Impedanzmessung an dem Fluid vornehmen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher Funktionselemente Elektroden sind, an welchen elektrische Potentiale angelegt und erfasst werden können.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher sich mehrere Erfassungsstrukturen auf einem Rotor befinden.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher Funktionselemente aus Feldern von Detektoren bestehen, welche Eigenschaften des Fluids räumlich aufgelöst erfassen können.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente die Temperatur der Fluide in den Kavitäten führen.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente elektrische Signale leiten, verstärken, schalten, senden und empfangen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente Daten elektronisch verarbeiten, speichern, übertragen und darstellen.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente elektromagnetische Strahlung senden, empfangen, fokussieren, aufweiten, leiten, schalten, teilen, filtern, brechen und reflektieren.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente Positionen, Konturen und Bewegungen von fluidischen Segmenten in den Kavitäten erfassen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente Energie speichern, wandeln und leiten.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente elektrochemische oder photovoltaische Zellen sind.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher mitrotierende Funktionselemente mit ortsfesten Komponenten Wechselwirken.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher die Wechselwirkung über magnetische oder elektrische Felder vermittelt wird.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher die Wechselwirkung und elektromagnetische Strahlung vermittelt wird.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher Funktionselemente direkt auf dem rotierbaren Substrat hergestellt werden.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher separat hergestellte Funktionselemente mit dem rotierbaren Substrat verbunden werden.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem das rotierbare Substrat für die einmalige Verwendung ausgelegt ist.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem eine mitrotierende Signalquelle mit einem ganzzahligen Vielfachen der Rotationsfrequenz getaktet ist.
  28. Verfahren, bei welchem ein Substrat bestehend aus Kavitäten und mindestens einem mit dem Substrat verbundenen Funktionselement, welches unter Verwendung organischer Leiter gefertigt ist, zur Ausübung von Scheinkräften auf in Kavitäten mitgeführte Fluide gedreht wird.
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