DE102010028012A1 - Liquid control for micro flow system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen gesteuerten Transport einer Flüssigkeit innerhalb eines Durchflusssystems, insbesondere eines Mikrodurchflusssystems. Erfindungsgemäß wird der Transport einer wässrigen Flüssigkeit in einem Durchflusssystem vor allem mit Hilfe von Pentadecan, also C15H32 gesteuert wird. Hierfür wird ein Durchflusssystem bereitgestellt, welches Pentadecan zur Steuerung eines Flüssigkeitstransports innerhalb des Durchflusssystems umfasst. Das Durchflusssystem wird zwecks Steuerung mit Pentadecan ganz oder teilweise geflutet.The invention relates to a method and a device for the controlled transport of a liquid within a flow system, in particular a micro flow system. According to the invention, the transport of an aqueous liquid in a flow system is controlled primarily with the aid of pentadecane, that is to say C15H32. For this purpose, a flow system is provided which includes pentadecane for controlling liquid transport within the flow system. The flow system is completely or partially flooded with pentadecane for control purposes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen gesteuerten Transport einer Flüssigkeit innerhalb eines Durchflusssystems, insbesondere eines Mikrodurchflusssystems.The invention relates to a method and a device for a controlled transport of a liquid within a flow-through system, in particular a micro-flow system.

Ein Mikrodurchflusssystem ist eine Vorrichtung mit Kanälen, deren Durchmesser kleiner als 1 mm ist. Insbesondere sind die Kanaldurchmesser maximal 150 μm groß. Ein solches Mikrodurchflusssystem wird in der Regel unter Anwendung von Halbleitertechniken hergestellt. Es ist daher auch bekannt, Halbleiter als Material zu wählen, um Kanäle zu fertigen. Aber auch andere Materialien wie Polymere oder Glas können eingesetzt werden. Ein Mikrodurchflusssystem im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst dann Kanäle und Bauteile, die in ein Substrat integriert sind. Aus der Druckschrift US 7,144,616 B1 geht ein solches Mikrodurchflusssystem hervor.A micro flow system is a device with channels whose diameter is less than 1 mm. In particular, the channel diameters are a maximum of 150 μm. Such a micro flow system is typically manufactured using semiconductor techniques. It is therefore also known to choose semiconductors as material to fabricate channels. But other materials such as polymers or glass can be used. A micro flow system according to the present invention then includes channels and components that are integrated into a substrate. From the publication US Pat. No. 7,144,616 B1 such a micro flow system emerges.

In der pharmazeutischen Industrie werden täglich mehrere hunderttausend verschiedene Substanzen auf ihre Eignung als Ausgangsstoffe für neue Medikamente untersucht. Derartige Anforderungen haben zur Konsequenz, dass Bedarf für Mikrodurchflusssysteme besteht, mit denen kleinste Flüssigkeitsmengen präzise gehandhabt werden können. Mikrodurchflusssysteme werden auch in der industriellen Verfahrenstechnik eingesetzt, um kleinste Flüssigkeitsmengen schnell und gleichmäßig miteinander zu vermischen. Auf biochemischem Gebiet werden Mikrosysteme für die Analyse von biologischen Proben verwendet.In the pharmaceutical industry, several hundred thousand different substances are tested daily for their suitability as starting materials for new drugs. Such requirements have the consequence that there is a need for micro flow systems that can handle minute amounts of liquid precisely. Micro flow systems are also used in industrial process engineering to quickly and evenly mix the smallest quantities of liquid. In the biochemical field microsystems are used for the analysis of biological samples.

Mikrodurchflusssysteme sind sehr klein und werden zunehmend kleiner gebaut. Die eingesetzten Bauteile müssen entsprechend klein sein. Es besteht daher ein ständiger Bedarf an einer weiteren Miniaturisierung der verwendeten Bauteile.Micro flow systems are very small and are being built increasingly smaller. The components used must be correspondingly small. There is therefore a constant need for further miniaturization of the components used.

Sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme, zum Beispiel bekannt aus den Druckschriften „ Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski: Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem. 2004, 76, 1824–1831 ” sowie „ R. Pal et al.: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyses, Lab Chip, 2005, 5, 1024–1032 ”, umfassen Mikrodurchflusssysteme. Es handelt sich dabei um miniaturisierte Diagnose- und/oder Analysevorrichtungen. Solche Systeme werden auch als „LoC”-Systeme bezeichnet.So-called lab-on-a-chip systems, known for example from the publications " Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski: Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem. 2004, 76, 1824-1831 " such as " R. Pal et al .: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyzes, Lab Chip, 2005, 5, 1024-1032 ", Include micro flow systems. These are miniaturized diagnostic and / or analytical devices. Such systems are also referred to as "LoC" systems.

In Durchflusssystemen werden Ventile benötigt, um Stoffflüsse zu steuern und/oder Reaktionskammern zu öffnen oder zu verschließen. Dazu werden meist mechanische Ventile (Drehventile etc.) benutzt, die mechanisch bewegt werden müssen, um den Öffnungszustand zu verändern. Vielfach besteht bei Durchflusssystemen der Bedarf, eine erste Flüssigkeit dosiert einer zweiten Flüssigkeit zuzufügen. Nach dem Stand der Technik ist dafür ein entsprechendes System an Leitungen und Ventilen erforderlich, um eine solche Dosierung vorzunehmen.In flow systems, valves are needed to control material flows and / or open or close reaction chambers. For this purpose, usually mechanical valves (rotary valves, etc.) are used, which must be moved mechanically to change the opening state. In many cases there is a need in flow-through systems for adding a first liquid to a second liquid in a metered manner. According to the state of the art, a corresponding system of lines and valves is required to make such a dosage.

Ein mechanisch Ventil für das Öffnen und Schließen eines Kanals ist aus der Druckschrift JP 2006183818 A oder aus der Druckschrift US 6,981,518 B2 bekannt. Gemäß der Druckschrift US 6,981,151 B2 wird ein mechanisches Ventilelement mit Hilfe eines Hebels linear verfahren, um einen Kanal zu öffnen oder zu verschließen. Verschiedene Ventile für Mikrodurchflusssysteme werden in der Druckschrift „ Chunsun Zhang et al., Micropumps. Microvalves, and micromixers within PCR microfluid chips: Advances and trends, Biotechnology Advances 25 (2007) 483–514, Elsevier ” beschrieben. Einen Überblick über vorbekannte Ventile für mikrofluidische Durchflusssysteme findet sich ergänzend in J. Micromech. Microeng. 16 (2006) R13–R39, A review of microvalves, Kwang W Oh et al. .A mechanical valve for opening and closing a channel is from the document JP 2006183818 A or from the publication US Pat. No. 6,981,518 B2 known. According to the document US 6,981,151 B2 a mechanical valve element is linearly moved by means of a lever to open or close a channel. Various valves for micro flow systems are described in the publication " Chunsun Zhang et al., Micropumps. Microvalves, and micromixers within PCR microfluidic chips: Advances and trends, Biotechnology Advances 25 (2007) 483-514, Elsevier "Described. An overview of previously known valves for microfluidic flow systems can be found in addition in J. Micromech. Microeng. 16 (2006) R13-R39, A review of microvalves, Kwang W Oh et al. ,

In mikrofluidischen, automatisierten Systemen müssen die verwendeten Ventile hinreichend klein dimensioniert werden, was hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Ventile stellt. Weiterhin ist die Ventilsteuerung durch Stellmotoren oder ähnliches im Betreibergerät eines solchen LoC-Systems sicherzustellen.In microfluidic, automated systems, the valves used must be dimensioned sufficiently small, which places high demands on the manufacturing accuracy of the valves. Furthermore, the valve control by servomotors or the like in the operator device of such a LoC system is to ensure.

Speziell für den Einsatz im mikrofluidischen Bereich findet man daher im Stand der Technik alternative Ventilkonzepte, die das Öffnen bzw. Schließen von Kanälen ohne mechanische Ansteuerung gewährleisten. Bei diesen Konzepten handelt es sich um Wachs-, Paraffin-, Verfestigungs- bzw. Vereisungsventile. Ihre Vorteile liegen in ihrer geringen Größe (sie sind quasi Bestandteil des zu kontrollierenden Kanals) und darin, dass für ihre Steuerung meist keine zusätzliche Mechanik von Nöten ist. In der Regel werden Phasenübergänge von fest (einschließlich wachsförmig) nach flüssig und umgekehrt ausgenutzt. Derartige Ventile gehen aus den Druckschriften „ Yan He et al.: Capillary-based fully integrated and automated system for nanoliter polymerase chain reaction analysis directly from cheek cells, Journal of Chromatography A, 924 (2001) 271–284 ”, „ P. Selvaganapathy*, E. T. Carlen, C. H. Mastrangelo: Electrothermally actuated inline microfluidic valve, Sensors and Actuators A 104 (2003) 275–282 ”, „ Lena Klintberg et al.: Fabrication of a Paraffin actuator using hot embossing of polycarbonate, Sensors and Actuators A 103 (2003) 307–316 ”, „ Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski: Self-Contained, Fully integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem. 2004, 76, 1824–1831 ”, „ R. Pal et al.: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyses, Lab Chip, 2005, 5, 1024–1032 ”, „ Zongyuan Chen, Jing Wang, Shizhi Qian and Haim H. Bau: Thermally-actuated, Phase change flow control for microfluidic systems, Lab Chip, 2005, 5, 1277–1285 ”, US 2008/0056949 A1 , US 2008/0112855 A1 , US 2007/0227592 A1 , US 2007/0231216 A1 , US 2004/0007275 A1 , US 2008/0314465 A1 , US 2005/0247356 A1 sowie US 2005/0247357 A1 hervor. Es ist bekannt, ein Wachs innerhalb eines Durchflusssystems zu platzieren und dieses zu gewünschter Zeit zu verflüssigen.Especially for use in the microfluidic field, alternative valve concepts that ensure the opening or closing of channels without mechanical activation are therefore found in the prior art. These concepts are wax, paraffin, hardening or icing valves. Their advantages are their small size (they are virtually part of the channel to be controlled) and the fact that for their control usually no additional mechanics is needed. As a rule, phase transitions from solid (including waxy) to liquid and vice versa are exploited. Such valves are from the documents " Yan He et al .: Capillary-based fully integrated and automated system for nanoliter polymerase chain reaction analysis directly from surface cells, Journal of Chromatography A, 924 (2001) 271-284 "," P. Selvaganapathy *, ET Carlen, CH Mastrangelo: Electrothermally Actuated Inline Microfluidic Valve, Sensors and Actuators A 104 (2003) 275-282 "," Lena Klintberg et al .: Fabrication of a paraffin actuator using hot embossing of polycarbonates, Sensors and Actuators A 103 (2003) 307-316 "," Robin Hui Liu, Jianing Yang, Ralf Lenigk, Justin Bonanno, and Piotr Grodzinski: Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection, Anal. Chem. 2004, 76, 1824-1831 "," R. Pal et al .: An integrated microfluidic device for influenza and other genetic analyzes, Lab Chip, 2005, 5, 1024-1032 "," Zongyuan Chen, Jing Wang, Shizhi Qian and Haim H. Construction: Thermally-actuated, phase change flow control for microfluidic systems, Lab Chip, 2005, 5, 1277-1285 " US 2008/0056949 A1 . US 2008/0112855 A1 . US 2007/0227592 A1 . US 2007/0231216 A1 . US 2004/0007275 A1 . US 2008/0314465 A1 . US 2005/0247356 A1 such as US 2005/0247357 A1 out. It is known to place a wax within a flow-through system and to liquefy it at the desired time.

Eine Vereisung benötigt abhängig vom verwendeten Puffer nachteilhaft relativ tiefe Temperaturen von bis zu –20°C, bevor ein Vereisungsventil vereist und damit schließt. Wachsventile sind je nach Bauart nur ein- bis zweimal schaltbar und benötigen je nach Bauart eine aktive Ansteuerung über Pumpmechanismen zum Bewegen des Wachses. Bekannte Eis- und Wachsventile lösen nicht das Problem der Bildung von Lufteinschlüssen bei Erstbefüllung von mikrofluidischen Kanal-/Kavitätssystemen. Zur Verwendung von Wachsventilen muss zusätzlich zum Herstellungspozess der fluidischen Kartusche noch Wachs in den entsprechenden Bereichen positioniert werden, was einen erhöhten Herstellungsaufwand bedeutet.Depending on the buffer used, icing disadvantageously requires relatively low temperatures of up to -20 ° C before an icing valve freezes and thus closes. Depending on the design, wax valves can only be switched once or twice and, depending on the design, require active activation via pump mechanisms for moving the wax. Known ice and wax valves do not solve the problem of the formation of air pockets during initial filling of microfluidic channel / cavity systems. To use wax valves, in addition to the manufacturing process of the fluidic cartridge, wax must still be positioned in the respective areas, which means an increased manufacturing cost.

Es ist dem genannten Stand der Technik gegenüber Aufgabe der Erfindung, die Steuerung von einem mikrofluidischen Kanal weiterzuentwickeln.It is the object of the invention to further develop the control of a microfluidic channel.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Transport einer ersten, insbesondere wässrigen Flüssigkeit in einem Durchflusssystem mit Hilfe einer zweiten angrenzenden Flüssigkeit und zwar insbesondere Pentadecan, also C15H32 durch ganz oder teilweises Fluten des Durchflusssystems gesteuert wird. Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Durchflusssystem gelöst, welches die zweite Flüssigkeit und zwar insbesondere Pentadecan zur Steuerung eines Flüssigkeitstransports innerhalb des Durchflusssystems umfasst. Die zweite Flüssigkeit ist so ausgewählt, dass diese in der zu steuernden ersten Flüssigkeit nicht gelöst werden kann und mit der ersten Flüssigkeit nicht vermischt. Es handelt sich also bei der zweiten Flüssigkeit um eine hydrophobe Flüssigkeit, wenn die erste Flüssigkeit eine wässrige Flüssigkeit ist. Außerdem liegt die Temperatur der ersten Flüssigkeit, die bewirkt, dass die erste Flüssigkeit aufhört zu fließen, unterhalb der Temperatur der zweiten Flüssigkeit, die bewirkt, dass die zweite Flüssigkeit aufhört zu fließen. Im Fall von Ölen ist eine solche Temperatur unter der Bezeichnung „Stockpunkt” bekannt.The object of the invention is achieved by a method in which the transport of a first, in particular aqueous, liquid in a flow-through system with the aid of a second adjacent liquid, in particular pentadecane, ie C 15 H 32 , is controlled by completely or partially flooding the flow-through system. The object of the invention is also achieved by a flow-through system which comprises the second liquid, in particular pentadecane, for controlling a liquid transport within the flow-through system. The second liquid is selected so that it can not be dissolved in the first liquid to be controlled and not mixed with the first liquid. Thus, the second liquid is a hydrophobic liquid when the first liquid is an aqueous liquid. In addition, the temperature of the first liquid that causes the first liquid to stop flowing is below the temperature of the second liquid that causes the second liquid to stop flowing. In the case of oils, such a temperature is known as "pour point".

Verfahrensgemäß befindet sich innerhalb des Durchflutungssystems die erste und zweite Flüssigkeit in wenigstens einem Kanal und/oder wenigstens einer Kammer. Die erste und die zweite Flüssigkeit grenzen unmittelbar aneinander an. Beide Flüssigkeiten bewegen sich gemeinsam innerhalb des Durchflusssystems, um so einen Transport bzw. eine Bewegung der ersten Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems zu erhalten. Die Bewegung der ersten Flüssigkeit wird gestoppt, indem zumindest ein Teil der zweiten Flüssigkeit bis zum Erreichen der Temperatur abgekühlt wird, die bewirkt, dass die zweite Flüssigkeit aufhört zufließen. Vorzugsweise wird allerdings nicht derart abgekühlt, dass die Temperatur erreicht wird, die bewirkt, dass die erste Flüssigkeit ebenfalls aufhört zu fließen. So wird sichergestellt, dass die erste Flüssigkeit stets fließfähig bleibt. Es kann dann besonders schnell und einfach der Transport der ersten Flüssigkeit gestoppt und begonnen oder fortgesetzt werden.According to the method, within the flow-through system, the first and second liquid are located in at least one channel and / or at least one chamber. The first and second liquids immediately adjoin one another. Both fluids move together within the flow system so as to obtain a transport or movement of the first fluid within the flow system. The movement of the first liquid is stopped by cooling at least a portion of the second liquid until it reaches the temperature that causes the second liquid to cease to flow. Preferably, however, it is not cooled so as to reach the temperature that causes the first liquid also to stop flowing. This ensures that the first liquid always remains flowable. It can then be particularly quickly and easily stopped the transport of the first liquid and started or continued.

Pentadecan ist ein wasserunlöslicher, stark hydrophober, stark benetzender Stoff mit einem Stockpunkt von 5° bis 10° und der somit oberhalb von Schmelztemperaturen von wässrigen Lösungen aufhört zu fließen. Aufgrund dieser Eigenschaften kann mit Hilfe von Pentadecan eine wässrige Flüssigkeit durch gewünschte Bereiche des Durchflusssystems, insbesondere umfassend ein oder mehrere Kanäle und/oder ein oder mehrere Kammern, transportiert werden, indem Pentadecan die wässrige Flüssigkeit vor sich her schiebt oder hinter sich her zieht. Aufgrund der stark hydrophoben Eigenschaften des Pentadecans findet dabei kein oder zumindest praktisch kein Vermischen mit der wässrigen Flüssigkeit statt. Pentadecan kann zuerst einen in gewünschten Bereich des Durchflusssystems hinein gepumpt werden. Aufgrund der stark benetzenden Eigenschaften des Pentadecans gelingt dies grundsätzlich problemlos blasenfrei. Wird im Anschluss daran die wässrige Flüssigkeit in den gewünschten Bereich gepumpt, so verdrängt die wässrige Flüssigkeit Pentadecan vollständig und befindet sich damit blasenfrei im vorgesehenen Bereich des Durchflusssystems. Anschließend kann erneut Pentadecan in den vorgesehenen Bereich hineingepumpt werden, um nun die Flüssigkeit vollständig aus diesem Bereich herauszudrücken. Die Schritte können also reversibel durchgeführt werden.Pentadecane is a water-insoluble, strongly hydrophobic, strongly wetting substance with a pour point of 5 ° to 10 ° and which thus stops above melting temperatures of aqueous solutions to flow. Due to these properties, pentadecane can be used to transport an aqueous liquid through desired regions of the flow-through system, in particular comprising one or more channels and / or one or more chambers, by pushing or pulling the aqueous liquid in front of it. Due to the highly hydrophobic properties of the pentadecane no or at least virtually no mixing with the aqueous liquid takes place. Pentadecane can first be pumped into the desired area of the flow system. Due to the strongly wetting properties of the pentadecane, this basically succeeds without bubbles. If, subsequently, the aqueous liquid is pumped into the desired area, the aqueous liquid completely displaces pentadecane and is thus free of bubbles in the intended area of the flow-through system. Subsequently, Pentadecan can be pumped into the intended area again to now push the liquid completely out of this area. The steps can therefore be carried out reversibly.

Im Fall einer wässrigen Flüssigkeit eignen sich ebenfalls in besonderer Weise C16H34, also Hexadecan oder C14H30, also Tetradecan. Hexadecan sowie Tetradecan sind bei einer Raumtemperatur von 20°C grundsätzlich fließfähig. Beide Flüssigkeiten verhalten sich hydrophob und erstarren bei einer Temperatur oberhalb von 0°C. Beide Flüssigkeiten weisen daher ähnliche Vorteile wie Pentadecan auf.In the case of an aqueous liquid, C 16 H 34 , ie hexadecane or C 14 H 30 , ie tetradecane, are also particularly suitable. Hexadecane and tetradecane are basically flowable at a room temperature of 20 ° C. Both liquids behave hydrophobically and solidify at a temperature above 0 ° C. Both liquids therefore have similar advantages as pentadecane.

Sämtliche drei Flüssigkeiten weisen gegenüber Paraffin, also einem Gemisch aus Alkanen, den Vorteil auf, nicht aus einem Gemisch von mehreren Substanzen zu bestehen. Der Stockpunkt ist entsprechend genauer vorhersehbar, was eine genauere, erleichterte Steuerung möglich macht. In einer Ausführungsform liegt daher die zweite Flüssigkeit nicht als Gemisch vor.All three liquids have the advantage over paraffin, ie a mixture of alkanes, not of a mixture of several To pass substances. The pour point is correspondingly more predictable, which makes a more precise, easier control possible. In one embodiment, therefore, the second liquid is not present as a mixture.

Ein blasenfreies Befüllen, welches durch die Erfindung grundsätzlich sehr zuverlässig ermöglicht wird, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich solche Gaseinschlüsse in flüssigkeitsgefüllten Reaktionskammern durch Erhitzen (bspw. Denaturierungsschritt bei einer PCR) ausdehnen und einen enormen Druck im geschlossenen System erzeugen können. Ein anderer Vorteil blasenfreier Befüllung liegt darin, das zur Verfügung stehende Reaktionsvolumen zu maximieren, um so die Effektivität zu maximieren.Bubble-free filling, which is basically made very reliable by the invention, is particularly advantageous if such gas inclusions in liquid-filled reaction chambers expand by heating (eg denaturation step in a PCR) and can generate enormous pressure in the closed system. Another advantage of bubble-free filling is to maximize the available reaction volume so as to maximize effectiveness.

Soll ein Durchfluss durch einen Bereich hindurch gestoppt werden, so gelingt dies problemlos und schnell durch eine entsprechende Temperaturabsenkung der zweiten Flüssigkeit zwecks Verfestigung. Die sich verfestigende zweite Flüssigkeit kann sich dann vor oder hinter der ersten, insbesondere wässrigen Flüssigkeit befinden, deren weiterer Transport gestoppt werden soll. Liegt zum Beispiel Pentadecan innerhalb des Durchflusssystems in verfestigter Form vor und blockiert so den Durchfluss durch einen Bereich des Durchflusssystems, so genügt eine hinreichende Temperaturerhöhung des Pentadecans, um den entsprechenden Durchfluss (wieder) zu ermöglichen.If a flow is to be stopped through an area, this is easily and quickly achieved by a corresponding decrease in the temperature of the second liquid for the purpose of solidification. The solidifying second liquid may then be in front of or behind the first, in particular aqueous, liquid whose further transport is to be stopped. For example, if pentadecane exists within the flow-through system in solidified form, thus blocking the flow through an area of the flow-through system, sufficient elevation of the temperature of the pentadecane is sufficient to (re) enable the corresponding flow.

In einer Ausführungsform wird daher eine Kammer des Mikrodurchflusssystems mit Pentadecan gefüllt und anschließend die wässrige Flüssigkeit über einen zuführenden Kanal in die mit Pentadecan gefüllte Kammer gepumpt. Auf diese Weise kann eine Kammer eines Durchflusssystems, insbesondere eines Mikrodurchflusssystems selbst dann blasenfrei mit der wässrigen Flüssigkeit gefüllt werden, wenn sich in der Kammer Mittel wie ein Rührelement befinden, die ein blasenfreies Befüllen erschweren.In one embodiment, therefore, a chamber of the micro throughflow system is filled with pentadecane and then the aqueous liquid is pumped via a feeding channel into the pentadecane filled chamber. In this way, a chamber of a flow-through system, in particular a micro-flow system can be filled bubble-free even with the aqueous liquid, if there are means such as a stirring in the chamber, which complicate a bubble-free filling.

Ein solches Durchflusssystem kann beispielsweise für die Durchführung einer PCR eingesetzt werden. Die wässrige Flüssigkeit ist dann Wasser mit den für die Durchführung einer PCR erforderlichen Inhaltsstoffen.Such a flow-through system can be used, for example, to carry out a PCR. The aqueous liquid is then water with the ingredients required to perform a PCR.

Da eine zweite Flüssigkeit wie Pentadecan sich bei 5 bis 10°C verfestigt, kann der Transport einer wässrigen Flüssigkeit durch Verfestigen oder Verflüssigen von Pentadecan in einer üblichen Umgebung, in der Raumtemperatur herrscht, ohne großen Energieaufwand gesteuert werden.Since a second liquid such as pentadecane solidifies at 5 to 10 ° C, the transport of an aqueous liquid by solidifying or liquefying pentadecane in a conventional environment in which room temperature prevails can be controlled with little energy input.

Problemlos und genau kann quasi automatisch ein Transport durch Verfestigen gesteuert werden, indem ein Bereich des Durchflusssystems im Fall von Pentadecan auf eine Pentadecan – Erstarrungstemperatur gekühlt wird, eine wässrige Flüssigkeit mit Hilfe von Pentadecan insbesondere durch diesen Bereich hindurch transportiert wird, und der Transport der wässrigen Flüssigkeit gestoppt wird, indem Pentadecan in den gekühlten Bereich hinein gelangt und erstarrt. Zu diesem Zweck wird die wässrige Flüssigeit vorzugsweise mit Hilfe von Pentadecan in den gekühlten Bereich hinein gedrückt. Der Bereich wird dann nicht derart gekühlt, dass die wässrige Flüssigkeit erstarrt. Solche Vorteile und Verfahrensschritte lassen sich auch mit solchen zweiten Flüssigkeiten erzielen, die mit Pentadecan vergleichbar sind wie Tetradecan oder Hexadecan.A transport by solidification can be controlled virtually automatically by a section of the throughflow system in the case of pentadecane being cooled to a pentadecane solidification temperature, an aqueous liquid being transported through this region by means of pentadecane, and the transport of the aqueous Liquid is stopped by passing pentadecane into the cooled area and solidifying. For this purpose, the aqueous liquid is preferably pressed into the cooled area with the aid of pentadecane. The area is then not cooled in such a way that the aqueous liquid solidifies. Such advantages and process steps can also be achieved with those second liquids which are comparable to pentadecane, such as tetradecane or hexadecane.

Der gekühlte Bereich umfasst beispielsweise eine Kammer mit Zuführkanal. Zunächst gelangt die wässrige Flüssigkeit in den gekühlten Kanal und anschließend in die gekühlte Kammer hinein. In Fließrichtung gesehen hinter der Flüssigkeit befindet sich Pentadecan und gelangt so schließlich ebenfalls in den gekühlten Kanal hinein. Im gekühlten Kanal erstarrt das Pentadecan, also das C15H32. Als Folge davon stoppt der weitere Transport der wässrigen Flüssigkeit. Vorzugsweise liegt die Kühltemperatur bei 0°C bis 5°C, um einerseits ein rasches Erstarren des Pentadecans herbeizuführen und andererseits ein Erstarren der wässrigen Flüssigkeit zuverlässig zu vermeiden. Um ein rasches Erstarren herbeizuführen, beträgt der Durchmesser des Kanals, in dem Pentadecan erstarren soll, vorzugsweise nicht mehr 1 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 600 μm, noch bevorzugter nicht mehr als 100 μm. Der Kanal besteht zum Beispiel aus Polykarbonat, Polypropylen oder Glas.The cooled area comprises, for example, a chamber with a feed channel. First, the aqueous liquid enters the cooled channel and then into the cooled chamber. As seen in the flow direction behind the liquid is pentadecane and thus finally also enters the cooled channel. In the cooled channel the pentadecane solidifies, ie the C 15 H 32 . As a result, the further transport of the aqueous liquid stops. Preferably, the cooling temperature is 0 ° C to 5 ° C, on the one hand to cause a rapid solidification of the pentadecane and on the other hand to reliably prevent solidification of the aqueous liquid. In order to bring about a rapid solidification, the diameter of the channel in which pentadecane should solidify is preferably no more than 1 mm, particularly preferably not more than 600 μm, more preferably not more than 100 μm. The channel consists for example of polycarbonate, polypropylene or glass.

Allgemein wird eine wässrige Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems transportiert, indem Pentadecan in einen Bereich des Durchflusssystems hineingepumpt wird, in dem sich die wässrige Flüssigkeit befindet. Pentadecan schiebt dann die wässrige. Flüssigkeit vor sich her, ohne sich mit dieser zu vermischen.Generally, an aqueous liquid is transported within the flow-through system by pumping pentadecane into an area of the flow-through system in which the aqueous liquid is located. Pentadecan then slides the watery. Liquid in front of him, without mixing with this.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Durchflusssystem, insbesondere Mikrodurchflusssystem bereitgestellt, welches Pentadecan zur Steuerung des Transports einer Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems umfasst. Das Pentadecan befindet sich dann in einer Kammer und/oder in einem Kanal des Durchflusssystems und zwar insbesondere in einem Bereich, der auf eine solche Temperatur gekühlt werden kann, dass das Pentadecan zu erstarren vermag, vorzugsweise nicht aber eine wässrige Lösung. In der Regel wird daher auf eine Plustemperatur abgekühlt, die nahe bei 0°C liegt.For carrying out the method, a flow-through system, in particular a micro-flow system, is provided which comprises pentadecane for controlling the transport of a liquid within the flow-through system. The pentadecane is then located in a chamber and / or in a channel of the flow-through system, specifically in a region which can be cooled to a temperature such that the pentadecane is able to solidify, but preferably not an aqueous solution. As a rule, cooling is therefore carried out to a positive temperature which is close to 0 ° C.

Das Durchflusssystem umfasst daher insbesondere Mittel zum Kühlen und/oder Erwärmen des darin befindlichen Pentadecans. Ein Peltierelement eignet sich im Fall eines Chip artigen Aufbaus des Durchflusssystems in besonderer Weise als Mittel zum Kühlen und/oder Erwärmen. Es können aber auch andere Mittel zum Kühlen und/oder Erwärmen eingesetzt werden, wie zum Beispiel ein Durchflusssystem, durch welches eine gekühlte oder erwärmte Flüssigkeit hindurch geleitet wird.The flow-through system therefore comprises in particular means for cooling and / or heating the pentadecane therein. A Peltier element is suitable in the case of a chip-like structure of the flow system in a special way as a means for cooling and / or heating. However, other means of cooling and / or heating may be used, such as a flow-through system through which a cooled or heated liquid is passed.

Alternativ oder ergänzend kann das Durchflusssystem Heiz- und Kühlmittel zur Durchführung einer PCR umfassen, um damit eine PCR durchführen zu können.Alternatively or additionally, the flow-through system can include heating and cooling means for carrying out a PCR in order to be able to carry out a PCR.

Alternativ oder ergänzend kann das Durchflusssystem ein oder mehrere Reagenzien zur Durchführung einer Analyse oder einer PCR umfassen. Reagenzien können in Kammern des Durchflusssystems untergebracht sein und in flüssiger oder trockener Form vorliegen.Alternatively or additionally, the flow-through system may comprise one or more reagents for carrying out an analysis or a PCR. Reagents may be housed in chambers of the flow-through system and be in liquid or dry form.

Verwendete wässrige erste Flüssigkeiten können ein Reaktionsgemisch zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation mit oder ohne vorheriger Reverser Transkription sein.Aqueous first liquids used may be a reaction mixture for performing a nucleic acid amplification with or without prior reverse transcription.

Mit Hilfe der Erfindung kann eine PCR oder eine isothermale Amplifikation (bspw. RPA, HDA, EXPAR) durchgeführt werden, wie diese aus den Druckschriften „ Myriam Vincent, Van Xu & Huimin Kong, Helicase-dependent isothermal DNA amplification, EMBO reports VOL 5, NO 8, 2004, S. 795 ”, „ Olaf Piepenburg, Colin H. Williams, Derek L. Stemple, Niall A. Armes, DNA Detection Using Recombination Proteins, PLoS Biology, July 2006, Volume 4, Issue 7, e204 ”, „J effrey Van Ness, Lori K. Van Ness, and David J. Galas, Isothermal reactions for the amplification of oligonucleotides, 4504–4509, PNAS, April 15, 2003, Vol. 100, No. 8 ” bekannt sind.With the aid of the invention, a PCR or an isothermal amplification (for example RPA, HDA, EXPAR) can be carried out, as is known from the documents " Myriam Vincent, Van Xu & Huimin Kong, Helicase-dependent isothermal DNA amplification, EMBO reports VOL 5, NO 8, 2004, p. 795 "," Olaf Piepenburg, Colin H. Williams, Derek L. Stemple, Niall A. Armes, DNA Detection Using Recombination Protein, PLoS Biology, July 2006, Volume 4, Issue 7, e204 "," J Effrey Van Ness, Lori K. Van Ness, and David J. Galas, Isothermal Responses to the Amplification of Oligonucleotides, 4504-4509, PNAS, April 15, 2003, Vol. 8th " are known.

Die benötigten wässrigen Gemische, also erste Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung können im Wesentlichen enthalten:

  • – Puffersubstanzen zur pH-Wert-Stabilisierung,
  • – Salze zur Einstellung eines für die verwendeten Enzyme günstigen Milieus,
  • – Enzyme wie DNA-Polymerase, Reverse Transkriptase, Restriktionsenzyme, Helicase, Recombinase etc.,
  • – Koenzyme/Kofaktoren wie ATP, NADH,
  • – Ausgangsstoffe der enzymatischen Reaktion (passende Oligonukleotide, Nukleotidtriphosphate),
  • – die Reaktion unterstützende Stoffe wie DMSO, Betain, PEG etc.,
The required aqueous mixtures, ie first liquids in the sense of the invention, can essentially contain:
  • Buffer substances for pH stabilization,
  • Salts for the adjustment of a favorable environment for the enzymes used,
  • Enzymes such as DNA polymerase, reverse transcriptase, restriction enzymes, helicase, recombinase, etc.,
  • Coenzymes / cofactors such as ATP, NADH,
  • - starting materials of the enzymatic reaction (suitable oligonucleotides, nucleotide triphosphates),
  • Reaction-supporting substances such as DMSO, betaine, PEG etc.,

Wässrige Gemische, die eine Nachweisreaktion eines Analyten ermöglichen und die eine erste Flüssigkeit im Sinne der Erfindung sein können, können enthalten:

  • – Puffersubstanzen und Salze wie oben beschrieben,
  • – Analyten (Proteine, Nukleinsäuren),
  • – Sonden (TaqMan-Sonden, Hybridisierungssonden (beides Oligonukleotide), markierte und unmarkierte Antikörper),
  • – weitere eine Detektion der Analyten ermöglichende Stoffe wie Antikörper, Enzyme (Alkalische Phosphatase, Meerrettich-Peroxidase etc.), fluoreszente Proteine wie bspw. Phycoerythrin).
Aqueous mixtures which allow a detection reaction of an analyte and which may be a first liquid in the sense of the invention may contain:
  • Buffer substances and salts as described above,
  • - analytes (proteins, nucleic acids),
  • Probes (TaqMan probes, hybridization probes (both oligonucleotides), labeled and unlabelled antibodies),
  • Further substances enabling a detection of the analytes, such as antibodies, enzymes (alkaline phosphatase, horseradish peroxidase, etc.), fluorescent proteins, such as, for example, phycoerythrin).

Sonstige wässrige bzw. auf kurzkettigen Alkoholen (Methanol, Ethanol, Propanol) basierenden Mischungen an Stoffen, die miteinander zur Reaktion gebracht werden sollen, sowie dazu notwendigen Hilfsstoffe können erste Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung sein, die insbesondere auf dem Gebiet der Mikroreaktionstechnik eingesetzt werden.Other aqueous or short-chain alcohols (methanol, ethanol, propanol) based mixtures of substances which are to be reacted with each other, as well as necessary auxiliaries may be first liquids according to the invention, which are used in particular in the field of microreaction technology.

Im Prinzip können alle vorgenannten Mischungen sowie einzelne Komponenten dieser Mischungen in flüssiger oder trockener Form in ein oder mehreren Kammern des Durchflusssystems bereits vom Hersteller untergebracht worden sein.In principle, all the above-mentioned mixtures as well as individual components of these mixtures in liquid or dry form may already have been accommodated in one or more chambers of the flow-through system by the manufacturer.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher verdeutlicht.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.

1 zeigt eine nicht befüllte, aus Polykarbonat bestehende Mikroreaktionskammer 1 eines Mikrodurchflusssystems. Das Durchflusssystem wurde durch einen aus einem Polykarbonat gefertigten Chip gebildet, der mit einer aus Polykarbonat bestehenden Folie geeignet verschlossen wurde. Die Kanaldurchmesser betrugen 600 μm. Die Kammer wies eine Ausdehnung von 7,5 mm mal 21 mm auf. Über den am oberen Seitenrand befindlichen zuführenden Kanal 2 wurde die Kammer mit gefärbtem Pentadecan gefüllt und so geflutet, was trotz des Rührelements 4 in der Kammer 1 absolut blasenfrei gelang, wie die 2 verdeutlicht. Nun wurde, wiederum über den zuführenden Kanal 2, (anders gefärbtes) Wasser in die mit Pentadecan gefüllte Kammer 1 gepumpt. Pentadecan floss daraufhin durch den abfließenden Kanal 3 aus der Kammer 1 heraus. Dieser Vorgang führte zu einem vollständigen Austausch des Pentadecans durch das Wasser, wie die 3 zeigt. Die Reaktionskammer 1 wurde also blasenfrei mit einer wässrigen Flüssigkeit gefüllt. 1 shows an unfilled polycarbonate micro reaction chamber 1 a micro flow system. The flow-through system was formed by a chip made of a polycarbonate which was suitably sealed with a polycarbonate film. The channel diameters were 600 μm. The chamber had an extension of 7.5 mm by 21 mm. Above the feeding channel at the top of the page 2 The chamber was filled with colored pentadecane and flooded, which, despite the stirring element 4 in the chamber 1 absolutely bubble-free succeeded, like the 2 clarified. Well, again over the feeding channel 2 , (differently colored) water into the pentadecane filled chamber 1 pumped. Pentadecan then flowed through the drainage channel 3 out of the chamber 1 out. This process led to a complete exchange of pentadecane by the water, like the 3 shows. The reaction chamber 1 So it was filled bubble-free with an aqueous liquid.

Handelt es sich bei der wässrigen Flüssigkeit um eine Mischung zur Durchführung einer PCR, so kann die mit der wässrigen Flüssigkeit gemäß 3 gefüllte Kammer den bekannten, PCR-typischen Temperaturprofilen unterworfen werden, um Nukleinsäuren zu amplifizieren.If the aqueous liquid is a mixture for carrying out a PCR, it can be mixed with the aqueous liquid according to 3 filled chamber to the known, PCR-typical temperature profiles are subjected to amplify nucleic acids.

Abschließend wurde das Wasser wieder mit Pentadecan aus der Mikroreaktionskammer 1 herausgedrückt, was einem Weitertransport des Reaktionsgemisches aus der Kammer in eine andere Kavität entspricht. Dieser Austausch erfolgte wiederum gemäß 4 vollständig und blasenfrei.Finally, the water was re-trapped with pentadecane from the microreaction chamber 1 pushed out what a further transport of the Reaction mixture from the chamber into another cavity corresponds. This exchange was again according to 4 completely and free of bubbles.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel belegt, dass Pentadecan, welches reproduzierbar in der Lage ist, mikrofluidische Reaktionskammern vollständig und blasenfrei zu befüllen, vollständig mit einem wässrigen Puffer aus der Kammer verdrängt werden kann. Dieser Prozess ist reversibel, denn das Ausführungsbeispiel zeigt weiterhin die nachfolgende Verdrängung des eingeführten wässrigen Puffers aus der Reaktionskammer 1 mit Hilfe von Pentadecan.The described embodiment proves that pentadecane, which is reproducibly capable of filling microfluidic reaction chambers completely and without bubbles, can be completely displaced from the chamber with an aqueous buffer. This process is reversible because the embodiment also shows the subsequent displacement of the introduced aqueous buffer from the reaction chamber 1 with the help of pentadecane.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde demonstriert, dass der Fluss eines wässrigen Mediums in einem in 5 gezeigten, mit Pentadecan gefluteten Kanalsystem mit offenen Anschlüssen 5 bis 10 durch vorheriges Abkühlen von definierten Kanalabschnitten exakt lenkbar ist. Das in der 5 gezeigte, aus Kanälen gebildete Durchflusssystem bestand wiederum aus einer Basis aus gefrästem Polykarbonat, die mit einer aus Polypropylen bestehenden Folie verschlossen wurde. Der Kanaldurchmesser lag erneut bei 600 μm. Das Kanalsystem war 70 mm breit (von 6 nach 9) und 50 mm hoch (von 5 nach 7). Die gefüllten Kanäle sind in der 5 mit schwarzen Strichen veranschaulicht. Anschließend wurde die Flussrichtung von gefärbtem Wasser durch mit Eis/H2O-gefüllte, auf Kanälen platzierte Röhrchen gesteuert. Die Röhrchen 12, 13, 14, 15 wurden wie in der 6 gezeigt oberhalb der Kanäle aufgesetzt, die unmittelbar zu den Anschlüssen 6, 7, 9 und 10 führen. Die Kanäle wurde so auf nahe 0°C abgekühlt. Das Wasser wurde daraufhin in den Anschluss 5 hinein gepumpt und trat beim Anschluss 8 aus dem gezeigten Mikrodurchflusssystem wieder heraus.In a second embodiment it has been demonstrated that the flow of an aqueous medium in an in 5 shown, Pentadecan flooded channel system with open connections 5 to 10 is precisely steered by previous cooling of defined channel sections. That in the 5 The channel flow system shown again consisted of a base of milled polycarbonate sealed with a film of polypropylene. The channel diameter was again at 600 microns. The channel system was 70 mm wide (by 6 to 9 ) and 50 mm high (from 5 to 7 ). The filled channels are in the 5 illustrated with black lines. Subsequently, the direction of flow of colored water was controlled by ice / H2O-filled channeled tubes. The tubes 12 . 13 . 14 . 15 were like in the 6 shown above the channels attached directly to the terminals 6 . 7 . 9 and 10 to lead. The channels were thus cooled to near 0 ° C. The water was then in the connection 5 pumped in and joined the connection 8th out of the micro-flow system shown again.

Dabei wurde das gefärbte Wasser – wie in der 6 gezeigt – in zwei für den Fluidfluss sehr unvorteilhaften 90°-Winkeln gelenkt. Dies belegt, dass das Einfrieren von Pentadecan zu einem robusten Verschließen beliebig auswählbarer Kanäle führt.This was the colored water - as in the 6 - directed in two for the fluid flow very unfavorable 90 ° angles. This proves that the freezing of pentadecane results in a robust closure of arbitrarily selectable channels.

Das nachfolgend beschriebene dritte Ausführungsbeispiel demonstriert ein „automatisches Abmessen” von Flüssigkeitsvolumina bei Befüllungsvorgängen und beweist, dass dies selbst mit einfachsten Hilfsmitteln machbar ist.The third embodiment described below demonstrates "automatic metering" of liquid volumes during filling operations and proves that this is feasible even with the simplest of tools.

Ein Mikrodurchflusssystem wurde auf Eis gelagert, um den in der 7 gezeigten zuführenden Kanal 2 für Pentadecan „unpassierbar” zu machen. Über diesen zuführenden Kanal wurde dann mit Hilfe einer Mikropipette manuell eine zweiphasige Flüssigkeit in die dahinterliegende Mikroreaktionskammer 1 gefüllt. Die beiden Phasen waren violett gefärbtes Wasser (untere Phase) sowie blau gefärbtes PD (obere Phase). Beide Flüssigkeiten wurden in die Pipettenspitze angesaugt und ohne abzusetzen oder zu unterbrechen in den Kanal 2 gepumpt. Die Befüllung der Reaktionskammer stoppte, sobald das Pentadecan in den eisgekühlten Kanal 2 gelangte, obwohl der Befüllungsdruck mit Hilfe der Mikropipette aufrecht erhalten bzw. erhöht wurde, ohne dass blaues PD die Reaktionskammer erreichen konnte. Pentadecan gelangte lediglich bis zu der in der 7 gezeigten Kühlstelle 11.A micro flow system was stored on ice to keep in the 7 shown feeding channel 2 to make "impassable" for Pentadecane. A two-phase liquid was then manually added to the downstream microreaction chamber via this feeding channel using a micropipette 1 filled. The two phases were purple colored water (lower phase) and blue colored PD (upper phase). Both liquids were aspirated into the pipette tip and without settling or interrupting in the channel 2 pumped. The filling of the reaction chamber stopped as soon as the pentadecane entered the ice-cooled channel 2 Although the filling pressure was maintained or increased with the aid of the micropipette, blue PD could not reach the reaction chamber. Pentadecan only reached as far as the 7 shown cooling point 11 ,

Zur Überprüfung des vorhandenen Überdrucks wurde die Öffnung der Pipettenspitze am Ende des Pumpvorgangs vom Kanaleingang entfernt, was zum schlagartigen Auslaufen der Restflüssigkeit führte.To check the existing overpressure, the opening of the pipette tip was removed from the channel entrance at the end of the pumping process, which led to the sudden leakage of the residual fluid.

Nach Beendigung des Versuchs war die Reaktionskammer mit Wasser gefüllt (beispielhaft für eine beliebige Reaktionslösung). Die Befüllung stoppte automatisch in dem Moment, als das Wasser vollständig in die Kammer gepumpt wurde und sich dadurch der davor liegende Kanal mit Pentadecan füllte. In diesem Moment endete der Befüllvorgang ohne irgendeine weitere Intervention (bspw. Ansteuern eines mechanischen Ventils oder Stoppen der Pumpe).After completion of the experiment, the reaction chamber was filled with water (exemplified by any reaction solution). The filling stopped automatically at the moment when the water was completely pumped into the chamber, thereby filling the channel in front with pentadecane. At that moment, the filling process ended without any further intervention (eg, driving a mechanical valve or stopping the pump).

Neben der Möglichkeit, die Flussrichtung eines Fluids zu lenken, ist es mit dem verwendeten Pentadecan also möglich, den Transport einer wässrigen Lösung zwischen verschiedenen Kavitäten eines geschlossenen Systems, beispielsweise von Wasser zum Beispiel zum Rücklösen von getrockneten Reagenzien, automatisch zu stoppen, sobald die wässrige Flüssigkeitsfront einen gewünschten gekühlten Bereich oder eine gewünschte gekühlte Stelle eines Durchflusssystems vollständig passiert hat. Das dem Wasser nachfolgende Pentadecan verändert seinen Aggregatzustand von flüssig auf fest, sobald es den gekühlten Bereich oder die gekühlte Stelle erreicht und unterbindet so den weiteren Fluss der wässrigen Phase wirkungsvoll. Diese Eigenschaft erlaubt es, Flüssigkeitsvolumina ohne aufwendige Messverfahren exakt abzumessen und somit Kavitäten sehr genau und reproduzierbar mit einer Arbeitsflüssigkeit zu füllen.In addition to the possibility of directing the flow direction of a fluid, it is thus possible with the Pentadecan used to stop the transport of an aqueous solution between different cavities of a closed system, for example, water, for example, for the return of dried reagents, automatically, as soon as the aqueous Liquid front has completely passed a desired cooled area or a desired cooled point of a flow system. The pentadecane following the water changes its state of aggregation from liquid to solid as soon as it reaches the cooled area or the cooled area and effectively prevents the further flow of the aqueous phase. This feature makes it possible to accurately measure liquid volumes without expensive measuring procedures and thus to fill cavities very accurately and reproducibly with a working liquid.

Die beschriebene Ventiltechnik umgeht mehrere Nachteile des Standes der Technik und löst diverse Probleme der wachsbasierten Ventiltechnik. Zusammenfassend werden folgende Vorteile erzielt:

  • • Die Schließtemperatur (Schmelztemperatur der Kanalfüllung) des Fluid gefüllten Kanals ist unabhängig vom verwendeten wässrigen Analysepuffer, was damit ausgestattete Mikrodurchflusssysteme beherrschbarer und leichter validierbar macht.
  • • Die Schließtemperatur liegt erheblich höher als jene von Eisventilen (in jedem Fall über 0°C), was ein schnelleres Schließen des Kanals erlaubt.
  • • Die Wärmekapazität des Phasenübergangs ist mindestens 30% geringer als beim Wasser-Eis-Übergang, was ebenfalls dazu führt, dass der Phasenwechsel schneller erfolgen kann als mit Wasser.
  • • Das erfindungsgemäße Ventil ist beliebig oft schaltbar, da der zu schaltende Kanal immer wieder mit einer zweiten Flüssigeit befüllbar ist.
  • • Der technische Aufwand zum Öffnen und Schließen eines Ventils ist erheblich geringer als konventionelle Ventiltechnik mit Ventilkörpern und Stellmotoren. Er ist auch geringer als der Aufwand zur Ansteuerung von zum Beispiel zweimal schaltbaren Wachsventilen nach Stand der Technik.
  • • Der Herstellungsaufwand ist erheblich geringer, da im Produktionsprozess ein Einbringen von Wachs in den Ventilbereich, wie es bei herkömmlichen Wachsventilen zwingend notwendig ist, entfällt.
  • • Das mikrofluidische Durchflusssystem wird insbesondere vor dem Befüllen mit einer ersten Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit befüllt. Handelt es sich bei der zweiten Flüssigkeit um eine stark benetzende Flüssigkeit, sorgt dieser „Priming” Prozess für eine reproduzierbar Lufteinschluss-freie Befüllung des Durchflusssystem.
  • • Das Bewegen eines nicht mischbaren zweiphasigen Flüssigkeitskörpers erlaubt ein exaktes Befüllen von Kavitäten, da der Fluidfluss nach Passage des Anteils der ersten Flüssigkeit an einem kühl geschalteten Ventilpunkt zum Erliegen kommt. Dies erlaubt ohne aufwendige Messverfahren bzw. online-Fluidflusskontrollen im Durchflusssystem ein exaktes Abmessen der bewegten Flüssigkeitsmenge.
The valve technology described overcomes several disadvantages of the prior art and solves various problems of wax-based valve technology. In summary, the following advantages are achieved:
  • • The closing temperature (channel filling temperature) of the fluid-filled channel is independent of the aqueous analysis buffer used, making it more manageable and easier to validate with micro-flow systems equipped with it.
  • • The closing temperature is considerably higher than that of ice valves (in any case above 0 ° C), which allows a faster closing of the channel.
  • • The heat capacity of the phase transition is at least 30% lower than in the water-ice transition, which also means that the phase change can be faster than with water.
  • • The valve according to the invention can be switched as often as desired, since the channel to be switched can always be filled with a second liquid side.
  • • The technical effort required to open and close a valve is considerably lower than conventional valve technology with valve bodies and servomotors. It is also less than the effort to control, for example, twice switchable wax valves according to the prior art.
  • • The production costs are considerably lower, as it is not necessary to introduce wax into the valve area in the production process, as is absolutely necessary with conventional wax valves.
  • The microfluidic flow-through system is in particular filled with the second fluid before it is filled with a first fluid. If the second fluid is a highly wetted fluid, this "priming" process provides for a reproducible air entrapment-free filling of the flow system.
  • • Moving an immiscible biphasic fluid body allows accurate filling of cavities as fluid flow stops upon passage of the first fluid portion at a cool valve point. This allows a precise measurement of the amount of liquid moved without complex measuring methods or online fluid flow controls in the flow system.

Soweit Vorteile und Verfahrensschritte am Beispiel Pentadecan und wässrige Flüssigkeit beschrieben wurden, lassen sich diese Vorteile und Verfahrensschritte auch mit anderen Flüssigkeitspaaren erzielen, die sich untereinander vergleichbar verhalten, also insbesondere nicht miteinander mischbar sind.Insofar as advantages and method steps have been described on the example of pentadecane and aqueous liquid, these advantages and method steps can also be achieved with other pairs of liquids which behave comparably to one another, ie in particular are not miscible with one another.

Die erste Flüssigkeit kann in der zweiten Flüssigkeit dispergiert werden. Wird ein Anteil der zweiten Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems gesteuert transportiert, so wird der darin dispergierte Anteil der ersten Flüssigkeit ebenfalls entsprechend gesteuert transportiert. Es ist so also möglich, mit Hilfe der zweiten Flüssigkeit Anteile der ersten Flüssigkeit gesteuert zu transportieren.The first liquid can be dispersed in the second liquid. If a proportion of the second liquid is transported in a controlled manner within the throughflow system, then the fraction of the first liquid dispersed therein is likewise transported in a correspondingly controlled manner. It is thus possible to use the second liquid to transport portions of the first liquid in a controlled manner.

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Claims (11)

Verfahren zur Steuerung des Transports einer ersten, insbesondere wässrigen Flüssigkeit in einem Durchflusssystem (1, 2, 3), insbesondere in einem Mikrodurchflusssystem, gemäß dem die Steuerung des Transports der ersten Flüssigkeit in dem Durchflusssystem mit Hilfe einer zweiten Flüssigkeit, insbesondere Pentadecan erfolgt, wobei die erste Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit nicht mischbar ist und das Durchflusssystem mit der zweiten Flüssigkeit zumindest teilweise geflutet wird.Method for controlling the transport of a first, in particular aqueous, liquid in a flow-through system ( 1 . 2 . 3 ), in particular in a micro flow system according to which the control of the transport of the first liquid in the flow system by means of a second liquid, in particular pentadecane, wherein the first liquid is immiscible with the second liquid and the flow-through system at least partially flooded with the second liquid becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammer (1) des Mikrodurchflusssystems mit der zweiten Flüssigkeit gefüllt wird und anschließend die erste Flüssigkeit über einen zuführenden Kanal (2) in die mit der zweiten Flüssigkeit gefüllte Kammer (1) gepumpt wird.Method according to claim 1, characterized in that a chamber ( 1 ) of the micro-flow system is filled with the second liquid and then the first liquid via a feeding channel ( 2 ) into the chamber filled with the second fluid ( 1 ) is pumped. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Flüssigkeit eine wässrige Mischung zur Durchführung einer PCR ist.A method according to any one of the preceding claims, wherein the first liquid is an aqueous mixture for carrying out a PCR. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Transport einer ersten Flüssigkeit durch Verfestigen oder Verflüssigen der zweiten Flüssigkeit gesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, in which the transport of a first liquid is controlled by solidifying or liquefying the second liquid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur, bei der die erste Flüssigkeit aufhört zu fließen, tiefer ist als die Temperatur, bei der die zweite Flüssigkeit aufhört zufließen.A method according to any one of the preceding claims, wherein the temperature at which the first liquid stops flowing is lower than the temperature at which the second liquid ceases to flow. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Bereich (11) des Durchflusssystems (1, 2, 3) auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der die zweite Flüssigkeit aufhört zu fließen, eine erste Flüssigkeit mit Hilfe der zweiten Flüssigkeit transportiert wird, und der Transport der ersten Flüssigkeit gestoppt wird, indem die zweite Flüssigkeit in den gekühlten Bereich hinein gelangt und erstarrt.Method according to one of the preceding claims, in which an area ( 11 ) of the flow system ( 1 . 2 . 3 ) is cooled to a temperature at which the second liquid stops flowing, a first liquid is transported by means of the second liquid, and the transport of the first liquid is stopped by passing the second liquid into the cooled region and solidifies. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems (1, 2, 3) transportiert wird, indem die zweite Flüssigkeit in einen Bereich des Durchflusssystems hineingepumpt wird, in dem sich die erste Flüssigkeit befindet.Method according to one of the preceding claims, in which the first liquid within the flow-through system ( 1 . 2 . 3 ) is pumped by the second liquid is pumped into an area of the flow system in which the first liquid is located. Durchflusssystem, insbesondere Mikrodurchflusssystem (1, 2, 3) umfassend Tetradecan, Pentadecan oder Hexadecan zur Steuerung des Transports einer Flüssigkeit innerhalb des Durchflusssystems.Flow system, in particular micro flow system ( 1 . 2 . 3 ) comprising tetradecane, pentadecane or hexadecane for controlling the transport of a liquid within the flow-through system. Durchflusssystem nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch mit Mitteln zum Kühlen und/oder Erwärmen des Tetradecans, Pentadecans oder Hexadecans.Flow-through system according to the preceding device claim comprising means for cooling and / or heating the tetradecane, pentadecane or hexadecane. Durchflusssystem nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche umfassend Heiz- und Kühlmittel zur Durchführung einer PCR und zwar insbesondere ein Peltierelement.Flow system according to one of the preceding device claims comprising heating and cooling means for carrying out a PCR and in particular a Peltier element. Durchflusssystem nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche umfassend ein oder mehrere Reagenzien zur Durchführung einer Analyse oder einer PCR.Flow-through system according to one of the preceding device claims comprising one or more reagents for performing an analysis or a PCR.
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