DE102008003979B3

DE102008003979B3 - Fluidikvorrichtung, Fluidikmodul und Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102008003979B3
Application number: DE200810003979
Authority: DE
Inventors: Daniel Mark; Stefan Haeberle; Felix Von Stetten; Jens DUCRÉE
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2028-01-12
Also published as: GB2456410B; GB2456410A; US20100307595A1; IE20081028A1; US8096314B2; GB0900247D0

Abstract

Eine Fluidikvorrichtung umfasst ein Fluidikmodul mit einer ersten Fluidkammer und einer zweiten Fluidkammer, die mit Ausnahme einer fluidischen Verbindung zu der ersten Fluidkammer geschlossen ist. Eine Antriebseinrichtung ist ausgelegt, um das Fluidikmodul mit einer ersten Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb einer Drehfrequenzschwelle zu beaufschlagen, bei der eine Flüssigkeit pneumatisch in der ersten Fluidkammer gehalten wird und nicht in die zweite Fluidkammer eindringt. Die Antriebseinrichtung ist ferner ausgelegt, um das Fluidikmodul mit einer zweiten Rotation mit einer zweiten Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle zu beaufschlagen, bei der eine in der ersten Fluidkammer erzeugte Flüssigkeitssäule instabil wird und die Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidikvorrichtung, ein Fluidikmodul und ein Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit, die insbesondere geeignet sind, um eine mit Ausnahme eines fluidischen Zugangs geschlossene Fluidkammer mit einer Flüssigkeit zu füllen.
In der zentrifugalen Mikrofluidik wird die zentripetale Beschleunigung einer Disk unter Rotation verwendet, um Flüssigkeitsmengen im Nanoliter- bis Milliliterbereich kontrolliert zu transportieren und zu steuern. Der Flüssigkeitstransport erfolgt dabei üblicherweise in Kanälen auf der Disk mit charakteristischen Abmessungen im Mikrometerbis Millimeterbereich.
Beispiele solcher mikrofluidischer Plattformen sind bei S. Haeberle und R. Zengerle, "Microfluidic Platforms for Lab-on-a-Chip Applications", Lab Chip, S. 1094–1110, 2007; J. V. Zoval u. a., "Centrifuge-based fluidic platforms", Proceedings of the IEEE, Vol. 92, Nr. 1, S. 140–153, Jan. 2004; J. Ducrée u. a., "The centrifugal microfluidic Bio-Disk platform", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 17, Nr. 7, S. S103–S115, 2007; und M. Madou u. a., "Lab an a CD", Annual Review of Biomedical Engineering, Vol. 8, S. 601–628, 2006, beschrieben.
Typische Anwendungen der zentrifugalen Mikrofluidik liegen in den Lebenswissenschaften und der medizinischen Diagnostik. Vorteile der zentrifugalen Mikrofluidik basieren auf der verbesserten Integration, Automatisierung, Miniaturisierung und Parallelisierung von Prozessabläufen mittels anwendungsspezifischer Kassetten (Cartridges), welche von im Idealfall einem Mehrzweckgerät abgespielt werden können.
Viele Verfahren können das Schalten, Dosieren und Aufteilen einer Probe, das so genannte Aliquotieren, zur anschließenden Durchführung einiger paralleler Versuchsschritte erfordern. Nach der Aliquotierung reagiert die Probe dann bei vielen Applikationen mit in den jeweiligen Kanälen spezifisch vorgelegten Reagenzien.
Eine Aliquotierung von Teilproben durch Kombination von hydrophilen Kanälen mit hydrophoben Zonen ist in der WO-A1-2004/083108 beschrieben. Eine Aliquotierung über einen zentrifugal befüllten Verteilkanal ist in der US-B2-6752961 beschrieben. Das dosierte Volumen entspricht dabei im Wesentlichen der Geometrie eines bestimmten Strukturabschnitts. Wünschenswert ist dabei ein zuverlässiges Aufteilen in unabhängig von den Volumina der in Kanalabschnitten hinter der Aufteilungsstruktur vorgelegten Substanzen definierte Teilvolumina. Außerdem sollten die Flüssigkeiten in den Reaktionskammern nach der Aufspaltung fluidisch sauber getrennt sein, um ein Eindringen der vorgelagerten Substanzen in andere Reaktionskammern zu vermeiden.
Zum Steuern von Abläufen auf einer Disk existieren bisher mehrere Möglichkeiten, um Flüssigkeiten an kontrollierten Punkten und zu kontrollierten Zeiten zu stoppen oder wieder passieren zu lassen. Ein Beispiel ist das Erzeugen einer lokalen Hydrophobisierung mit oder ohne gleichzeitige Verkleinerung der Kanalbreite, wie es bei M. Madou u. a., "Lab an a CD", Annual Review of Biomedical Engineering, Vol. 8, S. 601–628, 2006 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren wirkt dem Durchfluss eine über die Grenzflächenspannung bewirkte Durchflussbarriere entgegen, die erst ab einer bestimmten Zentrifugalbeschleunigung überschritten wird. Eine weitere Möglichkeit, Flüssigkeiten zu stoppen, ist eine abrupte und scharfkantige Kanalaufweitung in einem hydrophilen Kanal, wie sie bei D. C. Duffy u. a., "Microfabricated centrifugal microfluidic systems: Characterization and multiple enzymatic assays", Analytical Chemistry, Vol. 71, Nr. 20, S. 4669–4678, Okt. 1999 beschrieben ist.
Dabei wird durch die Grenzflächenspannung des Wassers dem Weiterfluss ein Widerstand entgegengesetzt, der wiederum erst ab einer bestimmten Drehfrequenz überwunden wird.
Eine weitere bekannte Möglichkeit, Flüssigkeiten temporär zu stoppen, sind Siphonstrukturen, siehe beispielsweise C. T. Schembri u. a., "Centrifugation and Capillarity Integrated Into A Multiple Analyte Whole-Blond Analyzer", Journal of Automatic Chemistry, Vol. 17, Nr. 3, S. 99–104, Mai 1995. Hier wird zunächst ein kapillares Füllen einer siphonförmigen Struktur durch ein entgegengerichtetes Zentrifugalfeld unterdrückt. Sinkt die Drehfrequenz unter eine bestimmte Schwelle, so wird der Siphon kapillar befüllt und der vorauslaufende Meniskus kann radial außerhalb des Flüssigkeitsspiegels im stromaufwärtsseitigen Reservoir sinken. Eine höhere Drehgeschwindigkeit im Anschluss befördert die Flüssigkeit dann weiter. Der Siphon kann zudem auch durch die einlassseitige Zugabe eines Verdrängungsvolumens befüllt werden.
Neben den genannten, prinzipiell wieder verwendbaren Ventilen existieren auch so genannte Opferventile, die nach einmaliger Aktuation nicht wieder verwendet werden können. Ein Beispiel für solche Ventile sind Sperren aus Wachs oder dünnen Folien im Durchflusskanal, die durch einen Laser aufgeschmolzen werden und so den Durchfluss ermöglichen. Diesbezüglich kann beispielsweise auf Y. K. Cho u. a., "One-step pathogen specific DNA extraction from whole blond an a centrifugal microfluidic device", Lab an A Chip, Vol. 7, Nr. 5, S. 565–573, Feb. 2007 verwiesen werden.
Aus der DE 19852835 A1 ist ein Probenträger zur Durchführung von Reihenanalysen mit einem eine Vielzahl von Kavitäten zur Aufnahme von Flüssigkeitsproben und gegebenenfalls Reagenzien aufweisenden Substratteil bekannt. Die Kavitäten sind als Messkammern in einer Ringzone des Substratteils im Winkelabstand voneinander angeordnet, wobei in einem Zentralbereich des Substratteils eine mit einer Flüssigprobe beaufschlagbare Aufgabekammer konzentrisch mit der Ringzone angeordnet ist, wobei die Aufgabekammer mit den Messkammern jeweils über einen Verbindungskanal kommuniziert. Flüssigkeit kann aus der Aufgabekammer unter Fliehkrafteinwirkung, welche über die Drehzahl einstellbar ist, definiert in die Messkammern gefördert werden.
Die DE 19857215 A1 befasst sich mit einem Multiküvettenrotor für einen automatisch arbeitenden Analysator zur Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten.
Aus der WO 2006/110098 A1 ist eine auf Zentrifugalkraft basierende mikrofluidische Vorrichtung bekannt, die eine Mikrokanalstruktur aufweist, in der ein Erfassungsmikrohohlraum gebildet ist.
Es besteht somit ein Bedarf nach einer Fluidikvorrichtung, einem Fluidikmodul und einem Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit, die das Steuern eines Fluidflusses ohne die Notwendigkeit einer aufwendigen Nachbehandlung von Fluidikstrukturen oder einer Notwendigkeit hochpräzise gefertigter Strukturen mit scharfen Kanten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidikvorrichtung nach Anspruch 1, ein Fluidikmodul nach Anspruch 14 und ein Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit in einem Fluidikmodul nach Anspruch 18 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit ein neuartiges Verfahren zum Schalten von Flüssigkeiten, wobei die entsprechenden Fluidikstrukturen auch als Schalter oder Ventile bezeichnet werden können. Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Fluidikstrukturen können aus einer radial innen liegenden ersten Fluidkammer, einer radial außen liegenden zweiten Fluidkammer und einer Verbindung, beispielsweise einer Verengung, an welcher ein Meniskus aufgebaut und bis zu einer bestimmten Drehfrequenz hin stabilisiert werden kann, bestehen. Die radial innen liegende Fluidkammer kann dabei durch eine Kanalstruktur gebildet sein. Die radial außen liegende Fluidkammer weist keinen weiteren Auslass für Fluide auf. Bei Ausführungsbeispielen können in der radial außen liegenden Kammer Reagenzien nass oder trocken vorgelegt sein. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann in der radial außen liegenden Kammer ein Mikroarray vorgesehen sein, das beispielsweise Fängerstrukturen für in der zu schaltenden Flüssigkeit enthaltene Bestandteile aufweisen kann. Allgemein können in der zweiten Fluidkammer Mittel zur Analyse der Flüssigkeit enthalten sein. Der Schaltvorgang wird über das Zusammenspiel von Strukturgeometrie, Grenzflächenspannung und Trägheitskräften sowie dem durch die Drehbewegung induzierten Zentrifugalfeld (rotationsinduzierte Trägheitskraft) gesteuert.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind dabei die Geometrie der ersten Fluidkammer, der fluidischen Verbindung und der zweiten Fluidkammer derart ausgelegt, dass bei Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb einer Drehfrequenzschwelle eine Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer pneumatisch durch einen in der zweiten Fluidkammer vorliegenden Gasdruck gehalten wird, und bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer in die zweite Fluidkammer eindringt. Die Fluidikstrukturen können dabei bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung derart ausgelegt sein, dass die Drehfrequenzschwelle gleich oder größer 5 Hz ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst das Funktionsprinzip zwei Phasen, die durch eine Drehfrequenzschwelle definiert sind. In einer ersten Phase wird die erste Fluidkammer befüllt und die Flüssigkeitssäule in derselben erzeugt. In einer zweiten Phase wird die Flüssigkeitssäule in die zweite Fluidkammer entleert.
In der ersten Phase wird bei einer niedrigen Drehfrequenz die radial innen liegende Fluidkammer gefüllt. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann dabei Flüssigkeit ent lang einer Kammerwand der ersten Fluidkammer auf die fluidische Verbindung zulaufen und dort, aufgrund der Grenzflächenspannung, ein in der zweiten Fluidkammer befindliches Gasvolumen abschließen. Der Querschnitt der fluidischen Verbindung und der Kantenbereich, in dem der Querschnitt der fluidischen Verbindung in den Querschnitt der zweiten Fluidkammer übergeht, können derart ausgelegt sein, dass bei den bei der Rotation mit der Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschelle wirkenden Kräften ein solches Abschließen des Gasvolumens am fluidischen Zugang zu der zweiten Fluidkammer erreicht wird. Nach dem Abschließen der fluidischen Verbindung kann dann die erste Fluidkammer von außen nach innen gefüllt werden, so dass verhindert werden kann, dass ein für die Dosierung wesentlicher Volumenanteil in die zweite Fluidkammer eindringt, bevor ein Flüssigkeitsmeniskus den Zugang zu der zweiten Fluidkammer abschließt und die dabei auftretende Grenzflächenspannung den zentrifugal getriebenen Zufluss in die zweite Fluidkammer bei einer Rotation unterhalb der ersten Drehfrequenzschwelle stoppt.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die fluidische Verbindung als Verengung ausgeführt sein. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Kammervolumen der ersten Fluidkammer und somit die maximale Volumenkapazität durch eine Überlaufstruktur festgelegt sein. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann überschüssiges Volumen über einen Überlauf abgeschert werden. Die Überlaufstruktur kann als ein Kanal ausgebildet sein, der gleichzeitig als Aliquotierkanal dient.
In der ersten Phase wird somit bei einer Rotation unterhalb der Drehfrequenzschwelle eine Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer erzeugt. In dieser ersten Phase bewirken eine Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas sowie ein durch das Gas in der zweiten Fluidkammer auf den Meniskus der Flüssigkeitssäule wirkender Gegendruck, dass keine oder nur ein bezüglich des zu dosierenden Volumens vernachlässigbares Flüssigkeitsvolumen in die zweite Fluidkammer eindringt. Das Kammervolumen der ersten Fluidkammer, das das Volumen der Flüssigkeitssäule bestimmt und somit die durch die Flüssigkeitssäule ausgeübte zentrifugale Kraft beeinflusst, das Kammervolumen der zweiten Fluidkammer, das den erzeugten Gegendruck beeinflusst, und die Geometrie im Bereich der fluidischen Verbindung zwischen den Fluidkammern können derart eingestellt sein, dass neben der Oberflächenspannung der Gegendruck maßgeblich dafür ist, dass keine Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt.
Als maßgeblich kann bei Ausführungsbeispielen der Gegendruck dabei dann betrachtet werden, wenn die Drehfrequenzschwelle, ab der ein Fluss durch die fluidische Verbindung in die zweite Fluidkammer stattfindet, um mindestens 5% höher ist, wenn die zweite Fluidkammer (mit Ausnahme des Zugangs über die fluidische Verbindung) keine Entlüftung aufweist, verglichen mit einem Fall, in dem die zweite Fluidkammer einen weiteren Fluidauslass, d. h. eine Entlüftung, aufweist. Bei Ausführungsbeispielen kann unter maßgeblich verstanden werden, dass dieser Unterschied der Drehfrequenzschwelle mindestens 10%, 20%, 30% oder 40% beträgt.
Nach dem Befüll- und Dosiervorgang in der ersten Phase, bei dem die Flüssigkeitssäule erzeugt wird, wird in einer zweiten Phase die Drehfrequenz über die Drehfrequenzschwelle angehoben. Durch das steigende Zentrifugalfeld dehnt sich einerseits der Meniskus der Flüssigkeitssäule weiter in die zweite Fluidkammer hinein, was das dort eingeschlossene Gas komprimiert und damit den Gasdruck erhöht. Andererseits induziert das Zentrifugalfeld hinreichend hoher Drehfrequenz einen Tropfenabriss. Ein solcher Tropfenabriss verringert den statischen Wassersäulendruck auf die Grenzfläche und erhöht den Gasdruck in der Kammer. Weiterhin destabilisiert die Dynamik des Ablösevorgangs die Grenzfläche, so dass Anteile des Gasvolumens durch die Flüssigkeitssäule aufsteigen können. Nach der Destabilisierung strebt das System erneut einem Druckgleichgewicht entgegen. Ein solcher Vertropfungsvorgang kann sich wiederholen, bis das in der ersten Fluidkammer dosierte Volumen vollständig in die zweite Fluidkammer gelangt ist. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann in dieser zweiten Phase die Drehfrequenz auch sukzessive erhöht werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung, und insbesondere zum Schalten, von Flüssigkeiten, die ohne eine aufwendige Nachbehandlung fluidischer Strukturen mit lokalen hydrophoben Bereichen und ohne hochpräzise gefertigte Strukturen mit scharfen Kanten auskommen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können als mikrofluidische Vorrichtungen und Verfahren ausgelegt sein, um Flüssigkeitsmengen im Nanoliter- bis Milliliterbereich kontrolliert zu transportieren und zu steuern, wobei ein Flüssigkeitstransport in Kanälen mit charakteristischen Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich stattfinden kann. Bei Ausführungsbeispielen kann die Geometrie der Fluidikstrukturen ausgelegt sein, um die beschriebene Funktionalität bei einem Flüssigkeit/Gas-System zu liefern, bei dem die Flüssigkeit eine Grenzflächenspannung von > 0,01 N/m, > 0,02 N/m, 0,03 N/m, 0,04 N/m oder 0,05 N/m aufweist. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele der Erfindung ausgelegt sein, um bei einem Blutplasma/Luft-System die beschriebene Funktionalität zu liefern.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit ein Ventil zum Schalten von Flüssigkeiten, basierend auf einem zentrifugal aufgebauten Gegendruck und der Stabilisierung des Meniskus an einem fluidischen Zwischenstück.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine neuartige Aliquotierstruktur basierend auf einem solchen Ventil, das ein Abmessen und Aliquotieren von Flüssigkeiten unabhängig von in einer Reaktionskammer (der zweiten Fluidkammer) vorgelagerten Substanzen ermöglicht. Solche vorgelagerten Substanzen können beispielsweise Primer für eine Polymerase-Kettenreaktion sein.
Wie beschrieben wurde, schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine zentrifugal gesteuerte pneumatische Ventilstruktur, die eine radial außen liegende Kammer, eine radial innen liegende Einlassstruktur und ein Zwischenstück aufweisen kann, welches den einzigen fluidischen Zugang zu der radial außen liegenden Kammer darstellt und so ausgeformt ist, dass sich anfänglich während der Befüllung der Einlassstruktur im Bereich dieses Verbindungsstücks ein durch die Grenzflächenspannung stabilisierter Meniskus ausbilden kann. Dadurch kann eine mit Gas gefüllte Druckkammer über den Flüssigkeitsmeniskus im Bereich des Verbindungsstücks versiegelt werden, woraufhin ein zentrifugal getriebener Aufbau einer Flüssigkeitssäule beginnend am radial äußeren Ende der Abmessstruktur stattfindet. Eine Komprimierung des Gasvolumens kann über einen rotatorisch erzeugten Druck der Flüssigkeitssäule erreicht werden, wobei die Geometrie des Verbindungsstücks so gewählt sein kann, dass ein mit der Instabilität der Flüssigkeitssäule verbundenes Entweichen des Gases erst oberhalb der Drehzahlschwelle auftritt.
Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Fluidkammer als eine Dosierstruktur implementiert sein, wobei unterhalb der Drehzahlschwelle die rotatorische Bewegung ein Abscheren der durch das Ventil im Bereich des Verbindungsstücks stabilisierten Flüssigkeitssäule am radial inneren Ende der ersten Fluidkammer, die als Abmess-Kanal bezeichnet werden kann, zur Volumendefinition stattfindet. Eine solche Dosierung kann somit unabhängig von den Volumina von eventuell in der zweiten Fluidkammer, die als Reaktionskammer bezeichnet werden kann, vorgelagerten Reagenzien erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Aliquotierstruktur. Bei Ausführungsbeispielen kann eine Mehrzahl von Dosierstrukturen mit einem Verteilungskanal, welcher beispielsweise über Zentrifugal- und Kapillarkräfte oder eine angelegte Druckdifferenz einen definierten Mindestfüllstand der Dosierstrukturen herbeiführen kann, aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen kann eine Verteilungsstruktur zumindest abschnittsweise mit Dosierstrukturen übereinstimmen, vergleichbar zu der WO-A1-2004/083108 . Bei Ausführungsbeispielen können die zweiten Fluidkammern Reaktionskammern darstellen, die sich zum vereinfachten Auslesen auf radial festen Positionen, d. h. auf einer bezüglich einer Rotationsachse konzentrischen Linie, befinden. Die Verteilungsstruktur kann durch einen radial abfallenden Kanal gebildet sein. Aneinander angepasste Dosiervolumina einer Mehrzahl von ersten Fluidkammern kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erreicht werden, indem unterschiedliche radiale Längen der ersten Fluidkammern durch unterschiedliche Breiten derselben ausgeglichen werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Steuerung für die Antriebseinrichtung vorgesehen sein, die in der Lage ist, die Drehfrequenz der Antriebseinrichtung zu steuern, um geeignete Frequenzverläufe zu durchlaufen. Beispielsweise kann die Steuerung ausgebildet sein, um die Antriebseinrichtung zwischen einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle und einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle mit maximaler Drehbeschleunigung umzuschalten oder eine Drehfrequenz von einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle zu einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle allmählich zu erhöhen.
Selbstverständlich muss die Drehfrequenz bei Ausführungsbeispielen der Erfindung während der ersten Rotation nicht fest sein, sondern kann sich ändern, solange sie unter der Drehfrequenzschwelle bleibt und die Drehfrequenz während der zweiten Rotation muss nicht fest sein, sondern kann sich ändern, solange sie zeitweilig oberhalb der Drehfrequenzschwelle bleibt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Ausführungsbeispielen der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips;
2 eine perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten Struktur;
3 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fluidikvorrichtung;
4a bis 4c schematische Querschnittdarstellungen von Fluidikstrukturen;
5 eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Aliquotierstruktur;
6a bis 6c schematische Ansichten unterschiedlicher Befüllungsphasen der in 5 gezeigten Struktur; und
7 Graphen, die den Effekt des pneumatischen Drucks darstellen.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Fluidikmoduls im Tiefenprofil. Das Fluidikmodul 10 ist dabei schematisch durch eine gestrichelte Linie 10 dargestellt. Eine perspektivische Ansicht der in dem Fluidikmodul 10 gebildeten Fluidikstrukturen ist in 2 gezeigt. Das Fluidikmodul 10 kann als ein Rotationskörper mit einer zentralen, innerhalb des Umfangs des Fluidikmoduls befindlichen Rotationsachse ausgebildet sein. Alternativ kann das Fluidikmodul ein Modul sein, das angepasst ist, um in eine dazu passende Aufnahme eines Rotati onskörpers eingesetzt zu werden, so dass sich die Rotationsachse außerhalb des Umfangs des Fluidikmoduls befindet.
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Rotationskörpers 12, in den das Fluidikmodul 10 eingesetzt ist. Der Rotationskörper 12 kann ausgebildet sein, um eine Mehrzahl von Fluidikmodulen 10 aufzunehmen. Eine Antriebseinrichtung für den Rotationskörper 12 kann einen im Wesentlichen herkömmlichen Aufbau aufweisen und eine Welle 14 und einen Antriebsmotor 16 umfassen. Eine Steuerung 18 für den Antriebsmotor 16 ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgelegt, um zumindest eine Rotation des Fluidikmoduls 10 bei einer Drehfrequenz unterhalb der beschriebenen Drehfrequenzschwelle und eine Rotation des Fluidikmoduls 10 bei einer Drehfrequenz oberhalb der beschriebenen Drehfrequenzschwelle zu bewirken.
Gemäß den 1 und 2 umfassen die Fluidikstrukturen des Fluidikmoduls 10 eine erste Fluidkammer 20, einen fluidischen Verbindungskanal 22 und eine zweite Fluidkammer 24. Die erste Fluidkammer 20 kann über eine Einlassstruktur 26, die schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt ist, mit einer Flüssigkeit 28 befüllt werden, wie durch die Schraffur in 1 dargestellt ist. Die Einlassstruktur 26 kann bei Ausführungsbeispielen ausgelegt sein, um zu bewirken, dass ein definiertes Volumen in die erste Fluidkammer 20 eingebracht wird. Zu diesem Zweck kann die Einlassstruktur 26 auf bekannte Weise eine Überlaufstruktur aufweisen oder ein durch eine rotatorische Bewegung induziertes Abscheren am radial inneren Ende der ersten Fluidkammer 20 bewirken. In 1 ist schematisch eine in der Darstellung vertikal verlaufende Rotationsachse Z gezeigt, so dass in 1 eine Richtung von links nach rechts einer Richtung von radial innen nach radial außen entspricht.
Wie dem in 1 gezeigten Tiefenprofil zu entnehmen ist, weist die fluidische Verbindung 22 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine geringere Tiefe auf als die erste Fluidkammer 20 und die zweite Fluidkammer 24, so dass der Flussquerschnitt der fluidischen Verbindung 22 geringer ist als die Flussquerschnitte der ersten Fluidkammer 20 und der zweiten Fluidkammer 24 quer zur Flussrichtung. Allgemein weist die fluidische Verbindung einen solchen in die zweite Fluidkammer mündenden Querschnitt auf, dass bei einer anfänglichen Befüllung der ersten Fluidkammer mit der Flüssigkeit bei der Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle durch die an demselben auftretende Grenzflächenspannung verhindert wird, dass Flüssigkeit in einem zu berücksichtigenden Umfang (von beispielsweise mehr als 10% des Volumens der ersten Fluidkammer) in die zweite Fluidkammer gelangt.
Zum Befühlen der ersten Fluidkammer 20 mit einer Flüssigkeit 28 wird das Fluidikmodul 10 einer Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle unterworfen, so dass über die Einlassstruktur 26 Flüssigkeit in die Fluidkammer 20 gelangt. Die Flüssigkeit kann beispielsweise entlang einer Wand der ersten Fluidkammer 20 zu der fluidischen Verbindung 22 gelangen und dort über die Grenzflächenspannung ein in der zweiten Fluidkammer 24 befindliches Gasvolumen abdichten. Nachfolgend steigt der Fluidpegel in der ersten Fluidkammer 20 von radial außen nach radial innen, so dass die in 1 gezeigte Flüssigkeitssäule erzeugt wird. Die erste Drehfrequenz bzw. Rotationsgeschwindigkeit ist dabei derart, dass ein Eindringen von Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer 24, die eine Reaktionskammer darstellen kann, durch die ausschließlich über den Verbindungskanal 22 mögliche Entlüftung verhindert wird. Wird die Drehfrequenz über die Drehfrequenzschwelle angehoben, wird der Druck auf die Flüssigkeitssäule durch Zentrifugation größer, so dass ein Teil davon weit genug in die zweite Fluidkammer 24 vordringt und von dem Rest der Flüssigkeit 28 abreißt. Im Anschluss erfolgt eine spontane, teilweise Entlüftung der Kammer in Form einer Luftblase, die durch den Verbindungskanal 22 in Richtung zu dem Drehzentrum Z durch die Flüssigkeitssäule aufsteigt. Der flache Verbindungskanal verhindert somit eine Entlüftung der Reaktionskammer, bis die Drehfrequenzschwelle, die auch als kritische Drehfrequenz bezeichnet werden kann, überschritten wird und die Flüssigkeitssäule zerreißt, so dass die Flüssigkeit aus der ersten Fluidkammer 20 in die zweite Fluidkammer 24 gelangt.
Die 4a–4c zeigen schematisch Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Fluidikstruktur. Die Fluidikstruktur umfasst einen Verteilkanal 30, eine erste Fluidkammer 32, einen Verbindungskanal 34 und eine zweite Fluidkammer 36. Eine Rotationsachse ist in den 4a–4c wiederum schematisch mit Z bezeichnet. 4a zeigt einen Zustand, bei dem das Fluidikmodul mit einer Drehfrequenz gedreht wird, die unterhalb der Drehfrequenzschwelle liegt. Durch diese Rotation ist eine Flüssigkeitssäule 38 in der ersten Fluidkammer 32 gebildet, wobei mit Flüssigkeit gefüllte Bereiche in den Figuren jeweils schraffiert dargestellt sind. Bei der unterhalb der Drehfrequenzschwelle liegenden Drehfrequenz ist die zweite Fluidkammer 36 im wesentlichen leer. In der zweiten Fluidkammer 36 kann ein Reagenz 40 oder ein Mikroarray stationär oder flüssig vorgelagert sein.
4b zeigt einen Zustand bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle, wobei sich ein Teil der Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer 36 entleert hat. 4c zeigt einen zeitlich nachfolgenden Zustand bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle, wobei der gesamte Flüssigkeitsinhalt der ersten Fluidkammer 32 in die zweite Fluidkammer 36 gelangt ist. Um ein definiertes Flüssigkeitsvolumen in die zweite Fluidkammer 36 einzubringen, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung das durch die zweite Fluidkammer 36 definierte Volumen gleich oder größer als das durch die erste Fluidkammer 32 definierte Volumen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Fluidkammer eine Breite in einem Bereich von 1 mm, eine Tiefe in einem Bereich von 2 mm und eine radiale Höhe in einem Bereich von 5 mm aufweisen. Der mittlere radiale Abstand der ersten Fluidkammer zum Drehzentrum kann 90 mm betragen. Der Verbindungskanal 34 kann eine radiale Länge in einem Bereich von 75 μm, eine Tiefe in einem Bereich von 200 μm und eine Breite in einem Bereich von 400 μm aufweisen. Die zweite Fluidkammer 36 kann eine runde Form aufweisen und eine Tiefe in einem Bereich von 3 mm und einen Durchmesser in einem Bereich von 2 mm aufweisen. Typische Drehfrequenzen, um die in den 4a–4c gezeigten Zustände zu erreichen, können bei 10 Hz für 4a, 15 Hz für 4b und 25 Hz für 4c liegen.
5 zeigt schematisch eine Draufsicht auf Fluidikstrukturen eines Ausführungsbeispiels einer Aliquotier-Struktur.
Bevor auf das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eingegangen wird, sei zunächst darauf hingewiesen, dass die Fluidikstrukturen bei Ausführungsbeispielen der Erfindung entsprechend herkömmlicher Herstellungstechniken unter Verwendung herkömmlicher Materialien, wie z. B. Kunststoff, Keramik, Glas, Silizium, PDMS (Polydimethylsiloxan) und anderen Elastomeren, und dergleichen, hergestellt sein können. Beispielsweise können herkömmliche Spritzgießverfahren, Mikro-Fräsverfahren oder mikromechanische Herstellungsverfahren, wie z. B. photolithographische Verfahren, zur Erzeugung der Fluidikstrukturen verwendet werden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Fluidikstrukturen einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen, wobei Ausnehmungen zur Aufnahme von Fluiden in einer Schicht gebildet sind, die durch zumindest eine Deckelschicht abgedeckt sind, wobei auf geeignete Weise Entlüftungsöffnungen und Einfüllöffnungen beispielsweise in der Deckelschicht vorgesehen sein können.
Die in 5 gezeigte Aliquotier-Struktur umfasst einen Probeneinlassbereich 50, der über einen Fluidkanal 52 mit einer Einlasskammer 54 verbunden ist. Die Einlasskammer 54 ist über einen ersten Siphonkanal 56 mit einem Einlassende eines Verteilkanals 58 verbunden. Ein Auslassende des Verteilkanals 58 ist über einen zweiten Siphonkanal 60 mit einer Überlaufkammer 62 fluidisch verbunden. Der Verteilkanal 58 weist eine Entlüftungsöffnung 64 auf. Mit dem Verteilkanal 58 fluidisch verbunden ist eine Mehrzahl von Fluidikstrukturen 70, von denen eine vergrößert in 5 dargestellt ist. Jede der Fluidikstrukturen 70 umfasst einen Abmesskanal 72, einen Verbindungskanal 74 und eine Reaktionskammer 76. Der Abmesskanal 72 stellt dabei eine erste Fluidkammer dar, die Reaktionskammer 76 stellt eine zweite Fluidkammer dar und der Verbindungskanal 74 stellt eine fluidische Verbindung zwischen den Kammern 72 und 76 dar. Grundsätzlich kann der Aufbau der Fluidikstrukturen 70 dem der bezüglich auf die 4a–4c beschriebenen Aufbau entsprechen. Ein Reagenz (in 5 nicht gezeigt) kann in zumindest einer, mehreren oder allen Reaktionskammern 76 angeordnet sein.
5 zeigt ferner eine Vergrößerung 80 des Bereichs des Verbindungskanals 74. Wie der Vergrößerung 80 zu entnehmen ist, umfasst der Verbindungskanal 74 einen kleineren Strömungsquerschnitt als angrenzende Bereiche der ersten Fluidkammer 72 und der zweiten Fluidkammer 76. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass hochpräzise gefertigte Strukturen mit scharfen Kanten hier nicht erforderlich sind, da neben einer Grenzflächenspannung, um einen anfänglichen Verschluss des Gasvolumens in der zweiten Fluidkammer zu erreichen, der durch das in der zweiten Fluidkammer befindliches Gas ausgeübte Gegendruck maßgeblich dafür ist, dass bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle keine Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt.
Der Verteilkanal 58 hat bezüglich einer Rotationsachse, die in 5 wiederum schematisch bei Z gezeigt ist, einen radial abfallenden Verlauf. Genauer gesagt verläuft der Verteilkanal 58 im Wesentlichen azimutal, hat jedoch eine radiale Komponente in Flussrichtung, so dass Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft durch denselben getrieben werden kann. Die Fluidikstrukturen 70 münden azimutal verteilt in einen radial äußeren Bereich des Verteilkanals 58. Die Reaktionskammern 76 der Fluidikstrukturen 70 sind auf einer konstanten radialen Position angeordnet, wie durch die Kreisbogenlinie 90 angedeutet ist, die konzentrisch um die Rotationsachse Z angeordnet ist. Um bei diesem Aufbau das Dosieren von jeweils gleichen Flüssigkeitsvolumina entlang des Verteilkanals zu ermöglichen, weisen die Messkammern 72 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel unterschiedliche Breiten (d. h. Abmessungen in azimutaler Richtung) auf, um eine aufgrund des radial abfallenden Verlaufs des Verteilkanals 58 auftretende unterschiedliche Länge der Abmesskammern zu kompensieren. Beispielhafte Maßstäbe für die gezeigten Strukturen sind in 5 dargestellt. Die Strukturen können beispielsweise Abmessungen aufweisen, um Flüssigkeitsmengen im Bereich 100 μl zu aliquotieren. Ferner sind die Strukturen ausgestaltet, um einen Betrieb als ein pneumatisches Gegendruckventil zu ermöglichen, wie er oben beispielsweise Bezug nehmend auf die 1 und 2 beschrieben wurde.
Im Betrieb wird zunächst Flüssigkeit über den Probeneinlassbereich 50 in die Einlasskammer 54 eingebracht. Dabei findet eine Rotation mit einer solchen Drehfrequenz statt, dass in der ersten Siphonstruktur 56 eine Zentrifugalkraft eine Kapillarkraft überwiegt und sich somit der Siphon nicht befüllt. Im Anschluss wird die Drehfrequenz reduziert, so dass die Kapillarkraft die Zentrifugalkraft überwiegt und sich der Kanal der Siphonstruktur 56 kapillar befüllt. Sobald der Flüssigkeitsmeniskus radial außerhalb des Flüssigkeitsmeniskus in der Einlasskammer 54 ist, kann, falls erforderlich, die Drehfrequenz wieder erhöht werden, um den Verteilkanal 58 und die Abmesskammern 72 zentrifugal befüllen zu können. Dabei füllen sich bei der geringen Rotationsfrequenz die Abmess-Kammern mit Flüssigkeit, die das Gas, wie z. B. Luft, in den Abmess-Kammern zu dem Verteilkanal hin verdrängt.
Unterschiedliche Phasen eines solchen Befüllvorgangs sind in den 6a–6c gezeigt, in denen mit Flüssigkeit gefüllte Bereiche wiederum schraffiert dargestellt sind.
Bei dem in 6a gezeigten Zustand sind die ersten beiden Abmesskammern 72 mit Flüssigkeit befüllt, während die dritte Abmesskammer 72 noch nicht befüllt ist. 6b zeigt einen Zustand, bei dem die dritte Abmesskammer befällt wird, so dass dort eine Flüssigkeitssäule erzeugt wird. Bei dem in 6c gezeigten Beispiel ist auch die dritte Abmesskammer mit Flüssigkeit befüllt. Diese Befüllung erfolgt bei einer solchen Rotationsfrequenz, dass ein in den Reaktionskammern 76 befindliches Gas, beispielsweise Luft, die Wirkung eines pneumatischen Gegendruckventils entfaltet, so dass die Flüssigkeit, mit der die Abmesskammern 72 befüllt werden, nicht in die Reaktionskammer 76 eindringt. Dieses Befüllen kann beispielsweise bei einer Drehfrequenz von 10 Hz erfolgen. Sind alle Abmesskanäle 72 befüllt, wird ein Überschuss an Flüssigkeit über die Siphon-Struktur 60 in die Überlaufkammer 62 abgeführt. Dabei findet induziert durch die rotatorische Bewegung ein Abscheren der Flüssigkeit an den radial inneren Enden der Abmesskammern 72 statt, so dass ein definiertes gegebenes Flüssigkeitsvolumen in jede der Abmesskammern dosiert wurde. Liegt, wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Siphon-Struktur 60 zwischen der Überlaufkammer 62 und dem Verteilkanal 58 vor, so kann die Rotationsfrequenz entsprechend gesteuert werden, um ein kapillares Überwinden der Siphon-Struktur zu ermöglichen.
Wie bereits beschrieben wurde, ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die durch den abfallenden Verteilungskanal notwendige radiale Verkürzung der Abmess-Kanäle durch eine Verbreiterung kompensiert, um in allen Abmesskanälen gleiche Volumina zu erhalten.
In einer an die Befüllung anschließenden Phase wird die Drehfrequenz auf einen Wert oberhalb der Drehfrequenzschwelle erhöht, so dass die Ventile durchbrechen und die Reaktionskammern 76 mit der in den Abmess-Kammern 72 befindlichen Flüssigkeit befüllt werden. Die Drehfrequenzschwelle ist dabei durch die Drehfrequenz gegeben, bei der die Flüssigkeitssäule instabil wird, so dass zumindest ein Teil der Flüssigkeit in die Reaktionskammer gelangt. Bei Ausführungsbeispielen ist die zweite Rotationsfrequenz eine solche, bei der die gesamte Flüssigkeit aus den Abmesskammern 72 in die Reaktionskammern 76 gelangt. Diese zweite Drehfrequenz kann beispielsweise 25 Hz betragen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt somit ein Aliquotieren in zwei Phasen, wobei ein Abmessen durch ein Abscheren eines Überstands in einer ersten Phase und ein Durchbruch in eine Reaktionskammer in einer zweiten Phase erfolgt. Somit kann eine saubere fluidische Trennung zur Vermeidung von Querkontaminationen von Reagenzien erhalten werden. Ferner kann ein jeweils gleiches Flüssigkeitsvolumen in die Reaktionskammern eingebracht werden, unabhängig davon, ob in den Reaktionskammern unterschiedliche Reagenzvolumina vorliegen. Schließlich ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung auch ein zuverlässiges Schalten von Puffern mit Tensiden, da die pneumatische Wirkung eines Gasgegendrucks maßgeblich dafür ist, dass bei einer ersten Drehfrequenz keine Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt. Anders ausgedrückt stellen die Fluidikstrukturen aus erster Fluidkammer, fluidischer Verbindung und zweiter Fluidkammer rotatorisch geschaltete pneumatische Gegendruckventile dar.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Überlaufkammer durch eine Fluidkammer ersetzt sein, die ebenfalls über ein pneumatisches Ventil mit dem Verteilkanal verbunden ist, jedoch eine geringere Durchbruchfrequenz aufweist als die den Reaktionskammern zugeordneten Ventile. Alternativ könnte zwischen der letzen Reaktionskammer und der Überlaufkammer eine Dummy-Struktur vorgesehen sein, die den mit Ausnahme einer geringeren Durchbruchfrequenz den Strukturen 70 entspricht. Durch derartige Strukturen kann ein Effekt dahingehend, dass die erste (äußerste rechte) Reaktionskammer einen höheren Füllpegel zeigt und die letzte (äußerste linke) Reaktionskammer einen geringeren Füllpegel zeigt, reduziert oder im Bestfall verhindert werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Fluidikstrukturen in einen COP-Körper (COP = Cyclo-Olefin-Polymer) gefräst sein. Um die Kanäle hydrophil zu machen, können dieselben mit Polyethylenglykol beschichtet sein. Der so bearbeitete Körper kann mit einem geeigneten Deckel versehen sein, beispielsweise einer zweischichtigen Folie, wie sie bei J. Steigert u. a., „Rapid prototyping of microfluidic chips in COC", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 17, Nr. 2, S. 333–341, Feb. 2007, beschrieben ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Auslass der ersten Fluidkammer durch mehrere Auslässe gebildet sein, und der fluidische Zugang der zweiten Fluidkammer kann durch mehrere Einlässe gebildet sein. Ein jeweiliger Einlass kann dann mit einem jeweiligen Auslass über eine fluidische Verbindung verbunden sein. Die sich ergebende Gesamtstruktur kann derart ausgelegt sein, das sie als rotatorisch geschaltetes pneumatisches Gegendruckventil wirkt. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung muß die zweite Kammer nicht vollständig radial außerhalb der ersten Kammer angeordnet sein, solange noch der zur Erreichung eines zentrifugalen Antriebs notwendige zentrifugale Druck erreichbar ist.
Hinsichtlich der Funktionalität des erfindungsgemäßen Lösungsansatzes wurden Messungen mit tintenhaltigem Wasser bei Abmess-Kanallängen zwischen 3,08 mm und 5,36 mm und variierenden Verbindungskanaltiefen zwischen 60 und 400 mm durchgeführt.
Ein im Verbindungskanal herrschender, durch die Flüssigkeitssäule erzeugter und durch Zentrifugation bestimmter zentrifugaler Druck P_zentrifugal berechnet sich aus der Rotationsfrequenz ν gemäß Pzentrifugal = (2πν)2 × l × r × ρ,wobei l die Länge der Flüssigkeitssäule ist, r die mittlere radiale Position derselben ist und ρ die Dichte des Wassers ist.
Das Ventil zeigte bei Verwendung von Wasser bei zentrifugalen Drücke zwischen 6.700 Pa und 2.100 Pa einen Durchbruch, wobei Schwankungen des zentrifugalen Drucks, bei dem der Durchbruch stattfand, zwischen 28% und 37% betrugen, die Toleranzen des Fräs-Prozesses zugeordnet sind.
Um das pneumatische Prinzip nachzuweisen, wurden Entlüftungsöffnungen in den Reaktionskammern erzeugt, die den Aufbau eines pneumatischen Drucks verhindern. Dies reduzierte die zentrifugalen Drücke um einen Faktor von 4 oder mehr verglichen mit den ursprünglichen Strukturen ohne Entlüftungsöffnungen. Darüber hinaus konnte der geringe Einfluss von Kapillarkräften bzw. Oberflächenspannungen nachgewiesen werden, indem das Detergenz Tween 20 (0,1% v/v) hinzugegeben wurde, um die Oberflächenspannung zu reduzieren. Obwohl die zentrifugalen Drücke verglichen mit Wasser reduziert waren, konnte die Flüssigkeit noch zuverlässig geschaltet werden.
Die Ergebnisse der Messungen sind in 7 dargestellt, die die Abhängigkeit des zentrifugalen Drucks, bei dem der Durchbruch stattfand, von der Tiefe des schmalen Verbindungskanals zeigt. Die jeweiligen vertikalen Balken zeigen die Standardabweichungen. Die geringen zentrifugalen Drücke für entlüftete Reaktionskammern zeigen deutlich, dass kapillare Wirkungen verglichen mit dem Effekt des pneumatischen Drucks vernachlässigbar sind.
Abschließend wird auf die dem pneumatischen Ventil zugrunde liegende Theorie eingegangen. Effekte, die sich auf die Instabilität einer Grenzfläche zwischen zwei Medien in einem gravitationsartigen Feld beziehen, werden allgemein als Rayleigh-Tayor-Instabilitäten bezeichnet. Laut D. H. Sharp, "An Overview of Rayleigh-Taylor Instability", Physica D, Vol. 12, Nr. 1–3, S. 3–18, 1984, ist eine mathematisch idealisierte, nicht beschränkte Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten in einem Schwerefeld instabil, wenn die dichtere Flüssigkeit über der weniger dichten Flüssigkeit liegt. Allerdings stabilisiert die Oberflächenspannung periodische Störungen der Grenzfläche, wenn die Wellenlänge der periodischen Störungen (Oberflächenwellen) kleiner als eine kritische Wellenlänge λ_crit sind. Die kritische Wellenlänge errechnet sich zu
wobei σ die Oberflächenwellenspannung ist, G die Beschleunigung des Schwerefelds und ρ_H und ρ_L die Dichte der dichteren bzw. weniger dichten Flüssigkeit sind.
Diese Näherung gilt für inkompressible Flüssigkeiten, wobei laut M. S. Plesset u. a., "General Analysis of the Stability of Superposed Fluids", Physics of Fluids, Vol. 7, Nr. 8, S. 1099–1108, 1964, die Korrektur für kompressible Medien allerdings klein ist, so dass diese Formel für eine Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas und somit für ein zentrifugo-pneumatisches Ventil näherungsweise verwendbar ist. Für ein solches System errechnete kritische Wellenlängen liegen in der Größenordnung der Verbindungskanal-Geometrien, was ein Indikator dafür ist, dass das System sich im Wesentlichen wie eine Rayleigh-Tayor-Instabilität zwischen zwei Flüssigkeiten verhält. Allerdings ist der Effekt einer beschränkten räumlichen Ausdehnung und die Krümmung des Meniskus in ihren betrachteten Systemen gegenüber einer unendlich ausgedehnten, planaren Grenzfläche, welche der obigen Gleichung der kritischen Wellenlänge zugrunde liegt, in dieser Abschätzung nicht berücksichtigt.
Die relevanten Kräfte können wie folgt geschätzt werden. Gas, wie z. B. die in der abgeschlossenen Reaktionskammer enthaltene Luft, gehorcht unter atmosphärischen Bedingungen in guter Näherung der idealen Gasgleichung pGasV = nRT,wobei p_Gas der Druck, V das Volumen, n die Anzahl Mol an Gas, R die Gaskonstante und T die Temperatur ist. Bei einer Reduzierung des zur Verfügung stehenden Volumens V erhöht sich bei konstanter Temperatur der Druck p_Gas. Dringt also die Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer durch den Verbindungskanal in die zweite Fluidkammer ein, komprimiert sie dort das Gas und erhöht so den Druck in der Reaktionskammer. Dies verhindert ein weiteres Eindringen an Flüssigkeit.
Der Kapillardruck stabilisiert ebenfalls die Flüssigkeit an dem Verbindungsstück. Der Kapillardruck entspricht pKapillar = k·σ·cosθ,mit k als der mittleren Krümmung der Flüssigkeitsgrenzfläche (= 2/r bei einer Kugel), σ als der Oberflächenspannung und θ als dem Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und dem Material der Oberfläche des Verbindungsstücks.
Wie oben ausgeführt wurde, herrscht an dem Verbindungsstück ein durch die Flüssigkeitssäule erzeugter, durch Zentrifugation bestimmter Druck p_Zentrifugal.
Wird der zentrifugale Druck p_Zentrifugal größer, dringt der Flüssigkeitsmeniskus weiter in die Reaktionskammer ein, bis der dadurch vergrößerte Gasdruck p_Gas den Druck p_Zentrifugal und die verkleinerte Krümmung k kompensiert. Ist die Flüssigkeitssäule weit genug in die Kammer eingedrungen, reißt ein Teil der Flüssigkeit ab, wie dies bei J. Eggers, "Tropfenbildung", Phys. Bl., Vol. 53, S. 431–434, 1997, beschrieben ist. An dem zurückweichenden Meniskus vorbei kann ein Teil des Gases in Form einer Luftblase entweichen. Dadurch sinkt laut der obigen idealen Gasgleichung der Druck in der Kammer und der Ablauf beginnt von neuem.

Claims

Fluidikvorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem Fluidikmodul (10), das eine erste Fluidkammer (20; 32; 72) mit einem Fluidauslass, eine zweite Fluidkammer (24; 36; 76) mit einem fluidischen Zugang und eine fluidische Verbindung (22; 34; 74) zwischen dem Fluidauslass der ersten Fluidkammer (20; 32; 72) und dem fluidischen Zugang der zweiten Fluidkammer (24; 36; 76) aufweist, wobei die zweite Fluidkammer (24; 36; 76) nur mit der ersten Fluidkammer fluidisch verbunden ist und im übrigen fluidisch geschlossen ist; und einer Antriebseinrichtung (14, 16, 18), die ausgelegt ist, um das Fluidikmodul (10, 12) mit einer ersten Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb einer Drehfrequenzschwelle und einer zweiten Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle zu beaufschlagen, wobei die erste und zweite Fluidkammer und die fluidische Verbindung derart ausgelegt sind, dass bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle ein fluidischer Verschluss durch die Flüssigkeit am fluidischen Zugang zu der zweiten Fluidkammer gebildet wird und eine Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer (20; 32; 72) erzeugt wird, die einen radial außen liegenden Meniskus aufweist, auf den ein in der zweiten Fluidkammer befindliches Gas einen Gegendruck ausübt, der maßgeblich dafür ist, dass die Flüssigkeitssäule stabil bleibt, und dass bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle die Flüssigkeitssäule instabil wird, so dass Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt und Gas durch die Flüssigkeitssäule entweicht.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die fluidische Verbindung einen Verbindungskanal (22; 34; 74) aufweist, der einen Flussquerschnitt aufweist, der kleiner ist als ein Querschnitt der ersten Fluidkammer (20; 32; 72) quer zur Flussrichtung und ein Querschnitt der zweiten Fluidkammer (24; 36; 76) quer zur Flussrichtung.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die erste Fluidkammer (20; 32; 72) ein erstes Kammervolumen und die zweite Fluidkammer (24; 36; 76) ein zweites Kammervolumen aufweist, das größer als das oder gleich dem ersten Kammervolumen ist.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Fluidikmodul eine Überlaufeinrichtung (30; 58, 60, 62) aufweist, die derart mit der ersten Fluidkammer (20; 32; 72) fluidisch verbunden ist, dass bei der ersten Rotation die Flüssigkeitssäule mit einem definierten Volumen erzeugt wird.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die erste Fluidkammer (32; 72) ein radial inneres Ende aufweist, das mit einem Fluidkanal (30; 58), der in Flussrichtung azimutale Komponenten aufweist, fluidisch verbunden ist, so dass durch die erste Rotation nach dem Erzeugen der Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer (32; 72) ein Abscheren der Flüssigkeitssäule am radial inneren Ende der ersten Fluidkammer (32; 72) erfolgt.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Mehrzahl von azimutal verteilten Fluidikstrukturen, die jeweils eine erste Fluidkammer (72), eine fluidische Verbindung (74) und eine zweite Fluidkammer (76) aufweisen.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 6, bei der radial innere Enden der ersten Fluidkammern (32; 72) der Fluidikstrukturen mit einem gemeinsamen Verteilerkanal (30; 58) fluidisch verbunden sind.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 7, bei der der gemeinsame Verteilerkanal (30; 58) ein radial abfallender Kanal ist.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Mehrzahl von zweiten Fluidkammern (36; 76) der Fluidikstrukturen auf einer zu einer Rotationsachse (Z), um die das Fluidikmodul drehbar ist, konzentrischen Linie (90) angeordnet sind.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der die Mehrzahl von azimutal verteilten ersten Fluidkammern (32; 72) der Fluidikstrukturen unterschiedliche Längen in radialer Richtung aufweisen, wobei eine in radialer Richtung längere erste Fluidkammer eine in azimutaler Richtung geringere Breite aufweist, um die Kammervolumen der ersten Fluidkammern (32; 72) aneinander anzupassen.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der ein Reagenz (40) oder ein Mikroarray in der zweiten Fluidkammer angeordnet ist.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die zweite Rotation bei einer solchen Drehfrequenz stattfindet, dass das gesamte Volumen der Flüssigkeitssäule in die zweite Fluidkammer (24; 36; 76) eindringt.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die zweite Rotation bei einer solchen Drehfrequenz stattfindet, dass nur ein Teilvolumen der Flüssigkeitssäule in die zweite Fluidkammer eindringt.
Fluidikmodul für eine Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit folgenden Merkmalen: einer ersten Fluidkammer (20; 32; 72) mit einem Fluidauslass; einer zweiten Fluidkammer (24; 36; 76), die einen fluidischen Zugang aufweist; einem fluidischen Verbindungskanal (22; 34; 74) zwischen dem Fluidauslass der ersten Fluidkammer und dem fluidischen Zugang der zweiten Fluidkammer, wobei die zweite Fluidkammer nur mit der ersten Fluidkammer fluidisch verbunden ist und im übrigen fluidisch geschlossen ist, wobei die erste und zweite Fluidkammer und die fluidische Verbindung derart ausgelegt sind, dass bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz unterhalb einer Drehfrequenzschwelle ein fluidischer Verschluss durch die Flüssigkeit am fluidischen Zugang zu der zweiten Fluidkammer gebildet wird und eine Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer (20; 32; 72) erzeugt wird, die einen radial außen liegenden Meniskus aufweist, auf den ein in der zweiten Fluidkammer (24; 36; 76) befindliches Gas einen Gegendruck ausübt, der maßgeblich dafür ist, dass die Flüssigkeitssäule stabil bleibt, und dass bei einer Rotation mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle die Flüssigkeitssäule instabil wird, so dass ein Flüssigkeitsvolumen, das dem ersten Kammervolumen entspricht, in die zweite Fluidkammer eindringt, wobei eine Mehrzahl von azimutal verteilten Fluidikstrukturen vorgesehen sind, die jeweils eine erste Fluidkammer (72), eine fluidische Verbindung (74) und eine zweite Fluidkammer (76) aufweisen, wobei radial innere Enden der ersten Fluidkammern (32; 72) der Fluidikstrukturen mit einem gemeinsamen radial abfallenden Verteilerkanal (30; 58) fluidisch verbunden sind, wobei die Mehrzahl von zweiten Fluidkammern (36; 76) der Fluidikstrukturen auf einer zu einer Rotationsachse (Z), um die das Fluidikmodul drehbar ist, konzentrischen Linie (90) angeordnet sind, und wobei die Mehrzahl von azimutal verteilten ersten Fluidkammern (32; 72) der Fluidikstrukturen unterschiedliche Längen in radialer Richtung aufweisen, wobei eine in radialer Richtung längere erste Fluidkammer eine in azimutaler Richtung geringere Breite aufweist, um die Kammervolumen der ersten Fluidkammern (32; 72) aneinander anzupassen.
Fluidikmodul nach Anspruch 14, das einen Rotationskörper mit einer rotationssymmetrischen Form und einer zentralen Rotationsachse aufweist.
Fluidikmodul nach Anspruch 14, das angepasst ist, um in eine dazupassende Aufnahme eines Rotationskörpers eingesetzt zu werden.
Fluidikmodul nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die erste und zweite Fluidkammer und die fluidische Verbindung derart ausgelegt sind, dass die Dreh frequenzschwelle gleich oder größer einer Drehfrequenz von 5 Hz ist.
Verfahren zum Handhaben einer Flüssigkeit in einem Fluidikmodul (10, 12), das eine erste Fluidkammer (20; 32; 72) mit einem Fluidauslass, eine zweite Fluidkammer (24; 36; 76) mit einem fluidischen Zugang und eine fluidische Verbindung zwischen dem Fluidauslass der ersten Fluidkammer und dem fluidischen Zugang der zweiten Fluidkammer aufweist, wobei die zweite Fluidkammer nur mit der ersten Fluidkammer fluidisch verbunden ist und im übrigen fluidisch geschlossen ist, mit: Drehen des Fluidikmoduls (10, 12) mit einer Drehfrequenz unterhalb einer Drehfrequenzschwelle zum Erzeugen eines fluidischen Verschlusses durch die Flüssigkeit am fluidischen Zugang zu der zweiten Fluidkammer und zum Erzeugen einer Flüssigkeitssäule in der ersten Fluidkammer (20; 32; 72), die einen radial außen liegenden Meniskus aufweist, auf den ein in der zweiten Fluidkammer befindliches Gas einen Gegendruck ausübt, der maßgeblich dafür ist, dass die Flüssigkeitssäule stabil bleibt; und anschließendes Drehen des Fluidikmoduls mit Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle, derart, dass die Flüssigkeitssäule instabil wird, so dass Flüssigkeit in die zweite Fluidkammer eindringt und Gas durch die Flüssigkeitssäule entweicht.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem beim Drehen mit einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle eine Flüssigkeitssäule mit einem definierten Volumen in der ersten Fluidkammer (20; 32; 72) erzeugt wird, das beim Drehen mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle vollständig in die zweite Fluidkammer (24; 36; 76) gelangt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem beim Drehen mit einer Drehfrequenz unterhalb der Drehfrequenzschwelle Flüssigkeitssäulen in einer Mehrzahl azimutal verteilter erster Fluidkammern erzeugt werden, die über eine Mehrzahl von fluidischen Verbindungen mit einer Mehrzahl azimutal verteilter zweiter Fluidkammern fluidisch verbunden sind, wobei beim Drehen mit einer Drehfrequenz oberhalb der Drehfrequenzschwelle Flüssigkeit in die Mehrzahl von zweiten Fluidkammern eindringt.