DE60132185T2

DE60132185T2 - Mehrfach-reservoir-drucksteuersystem

Info

Publication number: DE60132185T2
Application number: DE60132185T
Authority: DE
Inventors: Ring-Ling San Jose Chien; J. Wallace Palo Alto Parce; Andrea W. Los Altos CHOW; Anne Portola Valley KOPF-SILL
Original assignee: Caliper Life Sciences Inc
Current assignee: Caliper Life Sciences Inc
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: JP2003524183A; AU2001249071B2; US7171983B2; EP1272834A4; US20070157973A1; WO2001063270A1; EP1272834A1; CN1449491A; IL151122A0; EP1272834B1; US20010052460A1; CA2399199A1; US6915679B2; MXPA02008290A; US20050005684A1; AU4907101A; CN1261755C; ATE382858T1; WO2001063270B1; DE60132185D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Analysewerkzeuge für Biologie und Chemie und im Besonderen Mikrofluidik-Vorrichtungen, -Systeme und -Verfahren zum selektiven Transportieren von Fluiden innerhalb von Mikrofluidik-Kanälen eines Mikrofluidik-Netzes, oft unter Verwendung einer Vielzahl an selektiv variierbaren Drücken.
Mikrofluidik-Systeme werden derzeit für die Erfassung von chemischen und biologischen Informationen verwendet. Diese Mikrofluidik-Systeme werden oft unter Verwendung von herkömmlich in der Halbleiter-Elektronikindustrie verwendeten Verfahren hergestellt, beispielsweise Photolithographie, nasschemisches Ätzen und Ähnliches. Wie hierin verwendet, bezeichnet „Mikrofluidik" ein System oder eine Vorrichtung, die über Kanäle und Kammern verfügt, die im Mikronen- oder Submikronenbereich vorliegen, beispielsweise mit zumindest einer Querschnittsabmessung in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 500 μm.
Es gibt unzählige Anwendungen für Mikrofluidik-Systeme. Mikrofluidik-Systeme sind für Kapillarelektrophorese, Flüssigchromatographie, Strömungsinjektionsanalyse und chemische Reaktion und Synthese vorgeschlagen worden. Mikrofluidik-Systeme sind ebenfalls besonders vielseitig beim schnellen Testen der Auswirkungen von Verbindungen auf verschiedene chemische und vorzugsweise biochemische Systeme einsetzbar. Diese Wechselwirkungen umfassen alle katabolischen und anabolischen Reaktionen in Lebendsystemen, einschließlich ezymatischer, Eindungs-, Signalsierungs- und anderer Reaktionen.
Eine Vielzahl an Verfahren sind beschrieben worden, um den Fluidtransport zwischen einem Speicherpaar innerhalb eines Mikrofluidik-Systems oder einer -Vorrichtung. Der Einbau mechanischer Mikropumpen und -ventile innerhalb einer Mikrofluidik-Vorrichtung ist beschrieben worden, um Fluide innerhalb eines Mikrofluidik- Kanals zu bewegen. Die Verwendung von akustischer Energie zur Bewegung von Fluidproben innerhalb einer Vorrichtung durch die Auswirkungen akustischer Strömung ist gemeinsam mit der Verwendung externer Pumpen zum direkten Pressen der Fluide durch die Mikrofluidik-Kanäle vorgeschlagen worden.
Die Fähigkeiten und die Verwendung von Mikrofluidik-Systemen sind durch die Einführung der Elektrokinetik weiter fortgeschritten: die Verwendung elektrischer Felder (und der entstehenden elektrokinetischen Kräfte) zur Bewegung von Fluidmaterialien durch die Kanäle eines Mikrofluidik-Systems. Elektrokinetische Kräfte weisen die Vorteile direkter Steuerung, schneller Reaktion und der Einfachheit auf und ermöglichen den Fluidmaterialien selektiv durch ein komplexes Kanalnetz bewegt zu werden, um eine große Vielfalt an chemischen und biochemischen Analysen bereitzustellen. Ein beispielhaftes elektrokinetisches System, das eine variierbare Steuerung elektroosmotischer und/oder elektrophoretischer Kräfte innerhalb einer fluidenthaltenden Struktur bereitstellt, ist im US-Patent Nr. 5.965.001 beschrieben.
Trotz der oben beschriebenen Fortschritte auf dem Gebiet der Mikrofluidik sind, wie bei allen Erfolgen üblich, immer weitere Verbesserungen erwünscht. Während beispielsweise Transportsysteme für elektrokinetisches Material viele Vorteile in der Bewegung, dem Mischen und dem Aliquotieren von Fluiden im Mikrobereich bereitstellen, kann die Anwendung elektrischer Felder in einigen Fällen schädigende Auswirkungen haben. Im Fall aufgeladener Reagenzien, können elektrische Feder das elektrophoretische Vorspannen von Materialvolumina, beispielsweise hochaufgeladener Materialien zur Bewegung eines Fluidvolumens nach vorne oder hinten, verursachen. Wenn der Transport zellulären Materials erwünscht ist, können elektrische Felder in einigen Fällen zu einer Perforation oder Elektroporation der Zellen führen, was deren Endverwendung im System beeinflussen kann.
Zum Beseitigen der Schwierigkeiten von elektrokinetischen Systemen sind in der WO00/45172 (übertragen auf den Zessionär der vorliegenden Erfindung) vereinfachte Transportsysteme für den Zeitbereich-Multiplexvorgang von Reagenzien beschrieben worden. In diesem beispielhaften Zeitbereich-Multiplexsystem können Struktur eigenschaften von Reagenzien befördernden Kanälen zumindest teilweise den Zeitablauf und die Menge an Reagenzienzusätzen zu Reaktionen steuern (statt nur auf spezifischen Zeiten zu basieren, an denen die Pumpen eingeschaltet und/oder die Ventile betätigt werden, um den Zeitpunkt und die Menge des zu einer Reaktion zugesetzten Reagens zu steuern). Während andere Lösungen für unvorteilhafte Aspekte des elektrokinetischen Materialtransports innerhalb eines Mikrofluidik-Systems beschrieben worden sind, wären weitere alternative Fluidtransportmechanismen und Steuerverfahren von Vorteil, um die Flexibilität und die Fähigkeiten bekannter Mikrofluidik-Systeme zu verbessern.
Ungeachtet des zur Durchführung der Fluidbewegung und der Bewegung anderer Materialien verwendeten Mechanismus innerhalb eines Mikrofluidik-Kanalnetzes können die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit spezifischer Flüsse Probleme mit sich bringen. Es können beispielsweise Abweichungen der elektroosmotischen Strömung zwischen zwei Chips mit ähnlichen Konfigurationen und sogar zwischen verschiedenen Verfahren vorhanden sein, die auf einem einzigen Chips zu verschiedenen Zeiten ausgeführt werden. Qualitätskontrolle kann angesichts dieser Schwankungen eine Herausforderung darstellen, da eine genaue Kontrolle der Mikrofluidik-Flüsse in Anwendungen, beispielsweise Hochdurchsatz-Prüfverfahren, erheblich von stabilen und zuverlässigen Testverfahren profitieren würde.
Angesichts des oben erwähnten wäre es von Vorteil, verbesserte Mikrofluidik-Vorrichtungen, -Systeme und -Verfahren zum selektiven Transport von Fluiden innerhalb eines oder mehrerer Mikrofluidik-Kanäle eines Mikrofluidik-Netzes bereitzustellen. Es wäre wünschenswert, wenn diese verbesserten Transportverfahren selektive Fluidbewegungsfähigkeiten bereitstellen würden, die denen der elektrokinetischen Mikrofluidik-Systeme ähneln, während die unvorteilhaften Aspekte der Anwendung elektrischer Felder an chemischen und biochemischen Fluiden in zumindest einigen der Mikrofluidik-Kanäle des Netzes gelindert wird.
Es wäre ebenfalls von Vorteil, verbesserte Vorrichtungen, Systeme, Verfahren und Ausrüstungen zur Verbesserung der Genauigkeit, der Zuverlässigkeit und der Stabili tät von Mikrofluidik-Strömungen innerhalb eines Mikrofluidik-Netzes bereitzustellen. Es wäre vorteilhaft, wenn diese verbesserten Strömungssteuerverfahren Echtzeit- und/oder Qualitätskontrollrückkopplungen an die tatsächlichen Flüsse bereitstellen würden, idealerweise ohne dass diese auf erheblich erhöhter Systemkomplexität oder -kosten beruhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt im Allgemeinen verbesserte Mikrofluidik-Systeme und -Verfahren bereit. Die Systeme der Erfindung ermöglichen im Allgemeinen den flexiblen und selektiven Fluidtransport innerhalb von Mikrofluidik-Kanälen eines Mikrofluidik-Netzes durch Anwenden, Steuerung und Variieren von Drücken an einer Vielzahl an Speichern (Reservoirs) oder Öffnungen. Durch Konfigurieren des Mikrofluidik-Netzes als eine Reihe an Knoten (einschließlich der Speicher, Kanalkreuzungen und Ähnlichem), die durch Kanalsegmente miteinander verbunden sind, und durch Bestimmen der Strömungswiderstandseigenschaften der Kanalsegmente können die Fluidflüsse durch die Kanalsegmente, die aus einer gegebenen Druckkonfiguration entstehen, an den Speichern bestimmt werden. Speicherdrücke zur Beeinflussung eines gewünschten Strömungsprofils können ebenfalls unter Verwendung des Netzmodells berechnet werden. Ein einfaches Mehrfachspeicher-Druckmodulator- und -Drucksteuersystem kann wahlweise in Verbindung mit elektrokinetischen oder anderen Fluidtransportmechanismen verwendet werden. Die Erfindung stellt ebenfalls Verfahren bereit, um die Verschlechterung des Fluidgemischs innerhalb eines Mikrofluidik-Kanals durch Aufrechterhalten ausreichender Oszillation zu vermeiden, um die Teilung des Fluidgemischs zu verhindern, wenn keine Gesamtbewegung des Fluids erwünscht ist. Mikrofluidik-Systeme und -Verfahren, die über Viskometer oder andere Fliesssensoren verfügen, sind besonders zur Bestimmung der Drücke hilfreich, um einen Drang zum Strömen als Reaktion auf eine gemessene Strömung innerhalb eines Mikrofluidik-Kanals hydrodynamisch hervorzurufen. Ungeachtet des Mechanismus, der zur Durchführung der Fluidbewegung innerhalb eines Mikrofluidik-Netzes verwendet wird, können die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eine Rückkopplung an den tatsächlichen Strömungs- und/oder die Netzsystemeigenschaften bereitzustellen, was (beispielsweise) genauere, stabilere und zuverlässigere Testverfahren ermöglicht.
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-System bereit, das einen ein Mikrofluidik-Kanalnetz definierenden Körper und eine Vielzahl an Speichern umfasst, die in Fluidkommunikation mit dem Netz sind, wie in Anspruch 1 definiert. Das Netz umfasst einen Kanal. Eine Vielzahl an Druckmodulatoren ist ebenfalls enthalten, wobei jeder Druckmodulator einen selektierbar variablen Druck bereitstellt. Eine Vielzahl Druckübertragungslumina überträgt die Drücke von den Druckmodulatoren zu den Speichern, um eine gewünschte Strömung innerhalb des Kanals hervorzurufen.
Im Allgemeinen übertragen die Lumina die Drücke an die Durchlässe mit einem erheblich niedrigeren Widerstand zur Lumenströmung als des Widerstands des Kanals zur zugehörigen Mikrofluidik-Strömung. Jeder Druckmodulator wird üblicherweise in Fluidkommunikation mit einem zugehörigen Durchlass über ein zugehöriges Lumen sein. In vielen Ausführungsformen ist eine Netzströmungs-Steuervorrichtung mit den Druckmodulatoren gekoppelt und sendet Signale an die Druckmodulatoren, so dass die Modulatoren die Drücke variieren. Die Netzsteuervorrichtung umfasst im Allgemeinen Kanalnetzdaten, die die Kanalflüsse mit den Drücken aus den Druckmodulatoren korreliert.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Netz eine Vielzahl an Mikrofluidik-Kanälen, die in Fluidkommunikation an Kanalkreuzungen sind. Die Kreuzungen und die Speicher definieren die mit den Kanalsegmenten gekoppelten Knoten. Die Netzdaten können Korrelationen zwischen den Strömungen in den Kanalsegmenten und der Vielzahl an Drücken anzeigen.
In anderen Ausführungsformen kann ein Netzdatengenerator mit der Netzsteuervorrichtung gekoppelt werden. Der Netzdatengenerator kann ein Netzströmungsmodell, ein mit dem Kanal gekoppeltes Viskometer und/oder eine Netztestvorrichtung umfassen, die zum Messen zumindest eines Parameters eingestellt ist, der die Druck- Strömungskorrelation anzeigt. Die Drucksteuervorrichtung(en) verwenden oft Signale aus Drucksensoren, um einen Druckrückkopplungspfad bereitzustellen. Wahlweise kann die Drucksteuervorrichtung Kalibrierungsdaten-Korrelationsansteuersignale mit den entstehenden Speicherdrücken umfassen. Vorzugsweise umfassen die Druckmodulatoren pneumatische Verschiebungspumpen.
Üblicherweise wird zumindest eine Probentest-Flüssigkeit im Kanalnetz angeordnet. Ein Druckübertragungsfluid kann in den Lumina mit einer Fluid/Fluid-Druckübertragungs-Schnittstelle zwischen diesen angeordnet werden. Üblicherweise umfasst das Druckübertragungsfluid ein komprimierbares Gas, das die Druckmodulatoren mit der Kanalströmung willkürlich koppeln kann.
Üblicherweise umfasst das System zumindest vier unabhängig variable Druckmodulatoren. Vorzugsweise verwendet das System zumindest acht unabhängig variable Druckmodulatoren. Ein Druck-Schnittstellen-Verteiler kann zum lösbaren Eingriff des Mikrofluidik-Körpers verwendet werden, wobei der Verteiler abgedichtete Fluid-Kommunikation zwischen den Lumen und den zugeordneten Speichern bereitstellt. Idealerweise wird eine Vielzahl an Elektroden ebenfalls mit dem Mikrofluidik-Netz mit einer elektrokinetischen Steuervorrichtung gekoppelt, die mit den Elektroden gekoppelt ist, um eine elektrokinetische Bewegung der Fluide im Netz hevorzurufen. Wenn ein hydrodynamisches Druckdifferential verwendet wird, um das Fluid im Mikrofluidik-Netz zu bewegen, wird das Druckdifferential erheblich größer als ein Kapillardruck der Fluide in den Speichern.
Ein Körper, der ein Mikrofluidik-Kanalnetz definiert, ist mit einer Vielzahl an Speichern in Fluidkommunikation mit dem Netz bereitgestellt. Das Netz umfasst einen ersten Kanal. Eine Vielzahl an Druckmodulatoren ist ebenfalls bereitgestellt, wobei jeder Druckmodulator in Fluidkommunikation mit einem Speicher zum Variieren eines an diesen angelegten Drucks ist. Eine Netzströmungs-Steuervorrichtung ist mit den Druckmodulatoren gekoppelt. Die Netzsteuervorrichtung umfasst Kanalnetzdaten, die mit einer Strömung im ersten Kanal und den Drücken aus den Druckmodulatoren korrelieren. Die Netzsteuervorrichtung variiert die Drücke aus den Druckmodulatoren unabhängig als Reaktion auf eine gewünschte Strömung im ersten Kanal in den Netzdaten.
Wahlweise kann das System ferner Mittel zum Erzeugen der mit der Netzsteuervorrichtung gekoppelten Netzdaten umfassen. Das Netzdaten-Erzeugungsmittel kann ein Modell des Netzes, ein Viskometer, einen elektrischen Widerstandssensor zum Abfühlen des elektrischen Widerstands im Netz oder Ähnliches umfassen.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-System bereit, das einen ein Mikrofluidik-Kanalnetz definierenden Körper und eine Vielzahl an Durchlässen umfasst, die in Fluidkommunikation mit dem Netz ist. Das Netz umfasst einen ersten Kanal. Eine Netzströmungs-Steuervorrichtung erzeugt unabhängige, gewünschte Drucksignale als Reaktion auf eine gewünschte Strömung im ersten Kanal. Eine Vielzahl an Druckmodulatoren, die mit der Netzströmungs-Steuervorrichtung gekoppelt sind, sind jeweils in Fluidkommunikation mit einem zugehörigen Speicher. Eine Drucksteuervorrichtung mit Kalibrierungsdaten koppelt die Druckmodulatoren mit den Netzsteuervorrichtungen. Die Drucksteuervorrichtungen übertragen Ansteuersignale an die Druckmodulatoren als Reaktion auf gewünschte Drucksignale aus der Netzströmungs-Steuervorrichtung und den Kalibrierungsdaten.
In einem Verfahrensaspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-Verfahren wie in Anspruch 21 definiert bereit. Die Erfindung stellt ein Mikrofluidik-Verfahren bereit, das die Bestimmung druckinduzierter Strömungseigenschaften eines Mikrofluidik-Kanals in einem Mikrofluidik-Netz umfasst. Ein erste Vielzahl an Drücken wird aus den Eigenschaften des Mikrofluidik-Netzes abgeleitet, um eine erste gewünschte Strömung in einem ersten Mikrofluidik-Kanal bereitzustellen. Die erste gewünschte Strömung wird durch Anlegen der ersten Drücke auf eine Vielzahl an Speichern in Kommunikation mit dem Mikrofluidik-Netz hervorgerufen. Eine erste Strömung wird im ersten Mikrofluidik-Kanal eines Mikrofluidik-Netzes als Reaktion auf eine erste Vielzahl an Drücken hervorgerufen. Eine zweite Vielzahl an Drücken wird bestimmt, um eine gewünschte Strömung im ersten Mikrofluidik-Kanal zu beeinflussen. Die bestimmte zweite Vielzahl an Drücken wird mit den Druckübertragungssystemen angelegt und die zweite Strömung wird im Inneren des ersten Mikrofluidik-Kanals mit den zweiten Drücken hervorgerufen.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung sind besonders gut für die genaue Kombination ausgewählter Fluide in einem Mikrofluidik-Netz, beispielsweise zur Mehrfach-Öffnungsverdünnung, geeignet, worin Konzentrationen von ersten und zweiten Fluids aus dem ersten und zweiten Speicher in verschiedenen Konzentrationen kombiniert werden können.
In einem weiteren Verfahrensaspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung mit einem Fluidgemisch bereit, das eine Qualitätsverschlechterung erfährt, wenn es stationär gehalten wird. Das Verfahren umfasst das Einbringen des Fluidgemischs in einen Mikrofluidik-Kanal eines Mikrofluidik-Netzes. Das Gemisch wird durch Oszillieren des Fluidgemischs im Kanal aufrecht erhalten. Das aufrecht erhaltene Fluidgemisch wird dann entlang des Kanals transportiert.
Während die Analyse des Mikrofluidik-Netzes, basierend auf der bekannten Kanalgeometrie, die Berechnung der zur Erzeugung einer gewünschten hydrodynamischen Strömung angelegten Drücke erheblich erleichtern kann, hat die Arbeit in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt, dass die komplexe Natur der Strömungen in einem Mikrofluidik-Kanal die Berechnung der tatsächlichen Fluidviskosität in einem Mikrofluidik-Netz sehr erschweren kann. Insbesondere die Strömungen in einem einzigen Kanal eines Mikrofluidik-Netzes kann verschiedene Verdünnungen der Testfluide enthalten, die durch eine Vielzahl an verschiedenen Pufferlösungen und Ähnliches getrennt sind. Zur Überwindung dieser Komplikation verwendet die Erfindung oft Viskometer und ähnliche Strömungsabfühlsysteme, um tatsächliche Strömungseigenschaften aus einer bekannten Mikrofluidik-Ansteuerkraft zu bestimmen. Auf der Basis dieser Messungen kann dann eine gewünschte Strömung hydrodynamisch durch Einstellen der geeigneten Speicherdrücke erzeugt werden.
In einem verwandten Verfahrensaspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-Verfahren bereit, das eine Strömung in einem Mikrofluidik-Kanal eines Mikrofluidik-Netzes her vorruft. Die Strömung wird gemessen und ein Druck wird aus der gemessenen Strömung berechnet, um eine gewünschte Strömung zu erzeugen. Die gewünschte Strömung wird im Kanal durch Anlegen des berechneten Drucks an das Mikrofluidik-Netz erzeugt.
Die Strömung wird wahlweise durch Erzeugen eines detektierbaren Signals in der Strömung an einer ersten Position und durch Messen einer Zeitdauer des Signals bis zum Erreichen einer zweiten Position gemessen. Das Signal kann eine Veränderung in einem Fluid der Strömung umfassen, besonders dort, wo die erste Position einen Kreuzungspunkt zwischen einer Vielzahl an Mikrofluidik-Kanälen umfasst. Eine solche Veränderung in der Strömung kann hydrodynamisch durch Anlegen eines Druckimpulses an einem Speicher, der in Kommunikation mit dem Kreuzungspunkt ist, und/oder elektrokinetisch durch Variieren eines elektrischen Felds an dem ersten Kreuzungspunkt initiiert werden. Wahlweise kann eine Vielzahl an detektierbaren Signalen aus einer Vielzahl an Kanalkreuzungspunkten abgefühlt werden, wenn jedes dieser Signale die zweite Position erreicht. In vielen Ausführungsformen umfasst ein Signal eine Änderung einer Farbkonzentration aus einem Kanalkreuzungspunkt, wie oben beschrieben. Als Alternative kann die Farbe an der Stelle, an der das Fluid eine photobleichbare Farbe umfasst, durch einen Laser an der ersten Position photogebleicht werden, wobei die Photobleichung an dieser Position abgefühlt wird. Viele dieser Verfahren ermöglichen eine zu bestimmende Strömungsgeschwindigkeit, besonders wenn ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Position bekannt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise durch Doppler-Geschwindigkeitsmessung, Markierungspartikel-Videographie oder Ähnliches bestimmt werden. Idealerweise kann eine Strömungsviskosität unter Verwendung eines ersten Drucks (der die gemessene Strömung hervorruft) und der Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Diese Viskosität kann dann zur Bestimmung des berechneten Drucks verwendet werden, um die gewünschte Strömung zu erzeugen.
In einem verwandten Systemaspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-System bereit, das einen ein Mikrofluidik-Kanalnetz definierenden Körper und eine Vielzahl an Speichern umfasst, die in Fluidkommunikation mit dem Netz sind. Das Netz umfasst einen Mikrofluidik-Kanal. Ein Viskometer ist mit dem Kanal zum Bestimmen einer Viskosität einer Strömung in diesem gekoppelt.
In wieder einem anderen Systemaspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-System bereit, das einen ein Mikrofluidik-Kanalnetz definierenden Körper und eine Vielzahl an Speichern umfasst, die in Fluidkommunikation mit dem Netz sind. Das Netz umfasst einen Mikrofluidik-Kanal. Eine Vielzahl an Druckmodulatoren sind in Fluidkommunikation mit den Speichern. Ein Sensor ist mit dem Kanal zur Übertragung der Strömungssignale als Reaktion auf die Strömung innerhalb des Kanals gekoppelt. Die Steuervorrichtung koppelt den Sensor mit den Druckmodulatoren. Die Steuervorrichtung überträgt Druckbefehle als Reaktion auf die Strömungssignale, um eine gewünschte Strömung bereitzustellen.
In wieder einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-Verfahren bereit, welches das Hervorrufen einer Störung in einer Strömung durch einen Mikrofluidik-Kanal eines Mikrofluidik-Netzes durch Anlegen eines Drucktransienten an das Mikrofluidik-Netz umfasst. Ein Merkmal der Strömung oder des Mikrofluidik-Netzes wird durch Überwachen des Fortschreitens der Störung bestimmt.
Der Drucktransient kann passenderweise durch spontane Injektion eines in einen Injektionskanal des Mikrofluidik-Netzes eingebrachten Fluids angelegt werden. Eine solche spontane Injektion kann das eingebrachte Fluid unter Anwendung von Kapillarkräften zwischen dem Injektionskanal und dem eingebrachten Fluid in den Injektionskanal ziehen.
Üblicherweise umfasst die Störung eine Veränderung in einem Material für die stromabwärtige Strömung eines Kreuzungspunkts. Diese Änderung umfasst oft eine Mengenveränderung eines Fluids aus einem ersten Kanal, wobei der Drucktransient am ersten Kanal angelegt wird.
Die Verwendung der druckinduzierten Strömungsstörungen kann zur Bestimmung der Strömungs- oder der Netzmerkmale in Systemen mit einer druckinduzierten Strömung, einer elektrisch induzierten Strömung oder jeder Mischung aus strömungsinduzierten Mechanismen verwendet werden. Üblicherweise können Strömungsmerkmale, beispielsweise die tatsächliche Strömungsviskosität, Strömungsgeschwindigkeit und Ähnliches, bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen können Netzeigenschaften, beispielsweise Strömungswiderstand eines oder mehrerer Kanäle, bestimmt werden.
Das Fortschreiten der Störung kann zumindest in einem Teil mit einem Sensor überwacht werden, der stromabwärts von einer Störungsquellenposition (eines solchen Kreuzungspunkts von Kanälen) angeordnet ist. Eine Strömungsgeschwindigkeit kann beispielsweise aus einem Zeitintervall, das sich vom Drucktransienten zur Detektion der Störung an der Sensorposition und aus einem Abstand bestimmt werden, der entlang des Kanals oder der Kanäle von der Quellenposition zur Sensorposition erstreckt. Komplexere Analysen sind ebenfalls möglich, beispielsweise das Bestimmen einer zweiten Geschwindigkeit einer zweiten Strömung. Diese zweite Geschwindigkeit kann als Reaktion auf ein teilweise durch Detektion einer zweiten Strömungsstörung definierten Zeitintervalls und einen zweiten Abstand erzeugt werden, der teilweise durch eine zweite Störungsquellenposition (beispielsweise einen zweiten Kanalkreuzungspunkt) definiert wird. Können die verschiedenen Geschwindigkeiten entlang den sich kreuzenden Kanälen bestimmt werden, so kann die Materialmenge, welche eine Kombination aus den verschienenen Kanälen an einem Kreuzungspunkt ist, berechnet werden.
In einem verwandten Systemaspekt stellt die Erfindung ein Mikrofluidik-System bereit, das einen Körper umfasst, der über ein Mikrofluidik-Netz definierende Kanalwände verfügt. Ein Generator für Drucktransienten ist in Kommunikation mit einem Kanalkreuzungspunkt des Mikrofluidik-Netzes zum Initiieren einer Strömungsstörung. Ein Sensor ist mit der Strömung innerhalb des Netzes an einer Sensorposition gekoppelt. Ein mit dem Druckgenerator gekoppelter Prozessor und der Sensor bestim men ein Strömungs- oder Netzmerkmal als Reaktion auf die Detektion der Störung an der Sensorposition.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Mikrofluidik-Systems mit einem Mehrfachspeicher-Druckmodulationssystem gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht auf eine repräsentative Mikrofluidik-Vorrichtung mit Mikrofluidik-Kanälen mit erhöhtem Fluidströmungswiderstand zur Verwendung im Mikrofluidik-System von 1.
3A und 3B sind perspektivische Ansichten eines Druckverteilers zum lösbaren Abdichten von Speichern der Mikrofluidik-Vorrichtung von Kanal 2, die in Fluidkommunikation mit den Druckmodulatoren des Systems von 1 sind.
4 ist eine schematische Veranschaulichung eines Steuersystems zum unabhängigen Variieren der Speicherdrücke im Mikrofluidik-System von 1.
5A–C sind schematische Veranschaulichungen eines Verfahrens und eines Computerprogramms zum Bestimmen der Drücke, um einen gewünschten Fluss in einem Kanal des Mikrofluidik-Netzes in der Mikrofluidik-Vorrichtung von 2 bereitzustellen.
6 ist eine schematische Veranschaulichung eines Mikrofluidik-Systems mit sowohl einem Mehrfachspeicher-Druckmodulationssystem als auch einem elektrokinetischen Fluidtransport- und -steuersystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung.
7A und 7B veranschaulichen eine Wellpaarverdünnung, in der die Konzentrationsvariationen durch selektives Variieren der relativen Strömungsgeschwindigkeiten aus zwei an einem Kreuzungspunkt verbundenen Speichern erzeugt werden.
7C–E sind graphische Darstellungen der gemessenen Verdünnung gegenüber der festgelegten oder beabsichtigten Verdünnung für eine druckgesteuerte Mehrfachspeicher-Wellpaarverdünnung.
8 und 8A–8D sind graphische Darstellungen eines Enzymtests unter Verwendung eines druckgesteuerten Mehrfachspeicher-Mikrofluidik-Systems und im Speziellen: 8 veranschaulicht die Reaktion, 8a ist eine Titrationskurve für verschiedene Substratkonzentrationen, 8B ist ein Diagramm des korrigierten Signals gegenüber der Substratkonzentration, 8C ist ein Diagramm zur Bestimmung der Michaelis-Konstante und 8D ist ein Substrattitrationsdiagramm.
9A–C veranschaulichen ein Mikrofluidik-Proteinkinase-A-Reaktionstests (PKA-Reaktionstests) mit Konzentrationsvariationen, die unter Verwendung einer hydrodynamischen Druckmodulation erzielt werden.
10A und 10B veranschaulichen ein Beweglichkeits-Verschiebungs-Test-Mikrofluidik-Netz und Testergebnisse der Strömungsfähigkeit mit verschiedenen Konzentrationen.
11A und 11B sind eine perspektivische bzw. eine Draufsicht einer beispielhaften hydrodynamischen und elektrokinetischen Kreuzungspunktstruktur zum Koppeln mit einem Mikrofluidik-Körper.
12 ist eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Mikrofluidik-Viskometers.
13A und 13B sind schematische Veranschaulichungen eines Mikrofluidik-Netzes und -Verfahrens zum Anlegen detektierbarer Signale an einer Mikrofluidik-Strömung zum Messen der Strömungsmerkmale, die zum Berechnen der Drücke verwendet werden können, um eine gewünschte Strömung zu beeinflussen.
14A und 14B sind graphische Darstellungen der Strömungsmerkmalsignale, die zur Bestimmung der tatsächlichen Viskosität verwendet werden können.
15 ist eine perspektivische Ansicht eines Mikrofluidik-Chips mit einer Vielzahl an Kapillaren zur spontanen Injektion von Fluiden in das Mikrofluidik-Netz.
16 ist eine Draufsicht auf einen einfachen Mikrofluidik-Chip mit einer einzigen Kapillare zur spontanen Injektion.
16A–16C sind graphische Darstellung von Verfahren zur Überwachung des Fortschreitens der durch spontane Fluidinjektion induzierten Störungen zur Verwendung bei der Bestimmung der Merkmale einer Strömung und/oder eines Mikrofluidik-Netzes.
17A und 17B sind eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht von fluorogenen Mehrfach-Kapillarchips.
18A und 18b sind eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht von Beweglichkeits-Verschiebungs-Kapillarchips.
19 ist eine graphische Darstellung der Detektion einer an einem Kreuzungspunkt von Mikrofluidik-Kanälen durch spontane Injektion erzeugten Störung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung verwendet im Allgemeinen eine Mehrfachspeicher-Drucksteuervorrichtung, die mit einer Vielzahl an unabhängig variierbaren Druckmodulatoren gekoppelt ist, um die Fluidbewegung in den Mikrofluidik-Netzen zu beeinflussen.
Durch selektives Steuern und Verändern des an die Speicher einer Mikrofluidik-Vorrichtung angelegten Drucks kann die hydrodynamische Strömung bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten genau in den Kreuzungspunkt-Mikrofluidik-Kanälen gesteuert werden. Solche druckinduzierten Strömungen können bei der Verringerung (oder vollständigen Vermeidung) jeglicher schädigender Auswirkungen der mit den elektrokinetischen Transportverfahren assoziierten elektrischen Feldern, beispielsweise Probenbeeinflussung, Zellenperforation, Elektroporation und Ähnliches, hilfreich sein. Außerdem können solche druckinduzierten Mikrofluidik-Strömungen durch passendes Chipdesign die Strömungsvariationen im Vergleich zu den elektrokinetischen Verfahren durch die Verwendung von Druckdifferentialen (und/oder Kanalwiderständen, die erheblich größer als die durch Nebeneffekte hervorgerufenen Strömungsvariationen, beispielsweise Zufluss-/Abfluss-Kapillarkraftdifferentiale in den Speichern, sind) verringern. Vorteilhafterweise können die druckinduzierten Strömungen der vorliegenden Erfindung ebenfalls mit den elektrokinetischen und/oder anderen Fluidtransportmechanismen kombiniert werden, wodurch gemischte elektrokinetische/Druck-Mikrofluidik-Systeme bereitgestellt werden.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwenden oft Daten im Bezug auf das Kanalnetz in einer Mikrofluidik-Vorrichtung. Diese Netzdaten können unter Verwendung eines Modells des Mikrofluidik-Netzes berechnet werden, durch Testen einer Mikrofluidik-Vorrichtung gemessen werden und unter Verwendung eines Sensors und/oder Ähnlichem abgefühlt werden. Die Netzdaten liegen oft in Form von hydrostatischen Widerständen entlang von Mikrofluidik-Kanalsegmenten vor, die Knoten verbinden, wobei die Knoten oft Kreuzungspunkte zwischen Kanälen, Durchlässen oder Speichern sind, wobei die Verbindungen zwischen den Kanalsegmenten unterschiedliche Abmessungen und/oder Strömungsmerkmale und Ähnliches haben. Wie hierin verwendet, umfasst die Bezeichnung „Speicher" Öffnungen zum Ankoppeln mit einem Mikrofluidik-Netz in einem Mikrofluidik-Körper, umfassend Öffnungen, die keine Querschnitte haben, die viel größer als der Mikrofluidik-Kanal sind, um die Fluidkapazität zu erhöhen.
Durch selektives Steuern der Drücke an den meisten oder allen Speichern eines Mikrofluidik-Systems können sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten durch ausgewählte Kanalsegmente hervorgerufen werden. Solche geringen druckinduzierten Strömungen können bei Strömungsgeschwindigkeiten genau gesteuert werden, die unter Verwendung alternativer Fluidtransportmechanismen schwer oder fast nicht zu steuern sind. Vorteilhafterweise kann die vorliegende Erfindung Strömungsgeschwindigkeiten von weniger als 0,1 Nanoliter pro Sekunde bereitstellen, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten oft weniger als 1 Nanoliter pro Sekunde betragen, und die druckinduzierten Strömungsgeschwindigkeiten üblicherweise weniger als 10 Nanoliter pro Sekunde im Mikrofluidik-Kanal betragen.
Zum genauen Anlegen der Drücke im Mikrofluidik-Netz verwendet die Erfindung im Allgemeinen ein Druckübertragungssystem mit relativ großen Lumina zum Koppeln der Druckmodulatoren an die Speicher der Mikrofluidik-Vorrichtung, wobei die Druckübertragungslumina idealerweise ein komprimierbares Gas umfassen. Druck wird oft durch dieses Druckübertragungssystem mit relativ geringem Widerstand an die in den Speichern des Mikrofluidik-Systems angeordnete Fluide über einen Gas-/Fluid-Kreuzungspunkt im Speicher übertragen. Der Widerstand der Mikrofluidik-Kanäle gegenüber den in diesen fließenden Strömungen ist üblicherweise viel größer als der Widerstand der Druckübertragungslumina gegenüber der zugehörigen Strömung des komprimierbaren Gases. Im Allgemeinen ist der Kanalwiderstand zumindest 10 Mal der Übertragungssystemwiderstand, vorzugsweise mindestens 100 Mal und idealerweise mindestens 1000 Mal der Übertragungssystemwiderstand des komprimierbaren Gases, das zur Induktion der Kanalströmungen verwendet wird. Mit anderen Worten, eine Reaktionszeitkonstante des Druckübertragungssystems ist im Allgemeinen niedriger als die Zeitkonstante des Kanalnetzes, vorzugsweise viel niedriger und idealerweise zumindest ein, zwei oder drei Größenordnungen niedriger. Der Kopfraum eines Fluids (beispielsweise in der Druckmodulatorpumpe und/oder in der Öffnung oder im Speicher) mal dem Widerstand der Fluidströmung (beispielsweise in den Kanälen oder Lumina), kann im Allgemeinen die Reaktionszeitkonstante definieren.
Erstaunlicherweise ist es oft von Vorteil, den Widerstand der Mikrofluidik-Kanäle zu erhöhen, um die gewünschten relativen Widerstandfaktoren bereitzustellen. Die Kanäle können verringerte Querschnittsabmessungen, Druckabfallelemente (beispielsweise kleine Querschnitts-Drucköffnungen, einen strömungseinschränkende Substanz oder Beschichtung oder Ähnliches) haben und/oder Längen von einigen, den meisten oder allen Mikrofluidik-Kanalsegmenten können durch Umfassen meanderförmiger Segmentpfade erhöht werden. Da der Widerstand des Druckübertragungssystems einige Größenordnungen kleiner als der Widerstand der Kanäle sein kann, können Druckdifferentiale präzise von den Druckmodulatoren zu den Speichern der Mikrofluidik-Vorrichtung übertragen werden. Außerdem können die verringerten Übertragungssystemwiderstände dabei helfen, die Reaktion des Drucksystems zu erhöhen, was eine schnellere Reaktionszeitkonstante bereitstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Mikrofluidik-System 10 eine Mikrofluidik-Vorrichtung 12, die mit einer Gruppe Druckmodulatoren 14 durch ein Druckübertragungssystem 16 gekoppelt ist. Die Druckmodulatorengruppe 14 umfasst eine Vielzahl an Druckmodulatoren 14a, 14b, .... Die Modulatorengruppe 14 umfasst im Allgemeinen zumindest drei unabhängige, selektiv variierbare Druckmodulatoren, die üblicherweise mindestens vier Modulatoren umfassen und idealerweise über acht oder mehr Modulatoren verfügen. Jeder Modulator befindet sich in Fluidkommunikation mit einem Speicher 18 einer Mikrofluidik-Vorrichtung 12 über ein zugehöriges Rohr 20, wobei das Rohr mit einem Druckübertragungslumen mit einem komprimierbaren Gas in diesem ausgestattet ist.
Die Modulatorengruppe 14 stellt im Allgemeinen unabhängig auswählbare Drücke für die Lumina der Rohre 20 unter der Steuerung durch eine Steuervorrichtung (Steuervorrichtungen) 22 bereit. Rückkopplung kann der Steuervorrichtung 22 aus den Drucksensoren 24 bereitgestellt werden, wie unten stehend näher beschrieben. Der Prozessor 22 umfast oft einen maschinenlesbaren Code, der durch ein reales Medium 26 dargestellt wird, wobei der maschinenlesbare Code Programmbefehle und/oder Daten zur Durchführung der Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst. Der Prozessor 22 kann einen Personalcomputer mit zumindest einem Intel Pentium^® oder Pentium II^® Prozessor mit einer Geschwindigkeit von mindestens 200 MHz, 300 MHz oder mehr umfassen. Das reale Medium 26 kann eine oder mehrere Floppy-Disketten, Compact Disks oder „CDs", Magnetaufzeichnungsbänder, ROM-Speicher, RAM-Speicher oder Ähnliches umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Programmieranweisungen in eine Steuervorrichtung 22 über ein Diskettenlaufwerk oder andere Eingabe-/Ausgabesysteme, beispielsweise Internet, Intranet, Modemspeicher oder Ähnliches, eingegeben werden. Geeignete Programme können in einer Reihe von Programmiersprachen, einschließlich LabViewr^TM-Sprache, wie sie von National Instruments, Austin (Texas, USA), erhältlich ist, geschrieben sein. Die Steuervorrichtung 22 überträgt Ansteuersignale an die Modulatorengruppe 14, idealerweise über einen RS232/RS485-Serienanschluss.
Neben den Rohren 20 umfasst das Druckübertragungssystem 16 einen Verteiler 28. Der Verteiler 28 kann das Lumen jedes Rohrs 20 mit einem zugehörigen Speicher 18 der Mikrofluidik-Vorrichtung 12 lösbar abdichten. Die Rohre 20 können ein relativ hochfestes Polymer, beispielsweise Polyehteretherketon (PEEK), oder ein Polytetrafluoroethylen (beispielsweise ein Teflon^TM-Material) oder Ähnliches umfassen. Die Rohre weisen üblicherweise einen Innendurchmesser in einem Bereich von 0,25 mm bis 1,27 mm (etwa 0,01" bis etwa 0,05") auf, wobei eine Länge von etwa 1 m bis etwa 3 m reicht. Ein „T-Verbinder" koppelt den Druckausgang aus jedem der Druckmodulatoren mit einem zugehörigen Drucksensor 24.
Jeder Modulator 14a, 14b ... umfasst im Allgemeinen eine Pumpe oder eine andere Druckquelle, die das komprimierbare Gas im Lumen der zugehörigen Rohre 20 unter Druck setzt. Die Modulatoren umfassen vorzugsweise Verschiebungspumpen, wobei die beispielhaften Modulatoren einen Kolben umfassen, der in einem umschließenden Zylinder durch einen Aktuator selektiv positioniert ist. Vorzugsweise sind die Aktuatoren eingestellt, um eine genaue Positionierung des Kolbens als Reaktion auf Ansteuersignale aus der Steuerungsvorrichtung 22 zu ermöglichen, wobei die beispielhaften Aktuatoren Schrittmotoren umfassen. Die beispielhafte Kolben-/Zylinderanordnung ähnelt einer Spritze. Beispielhafte Modulatorengruppen können durch ei ne Reihe an Händlern, einschließlich Kloehn (Las Vegas, Nevada, USA), Cavaro (Sunnyvale, Kalifornien, USA) und Ähnliche, bezogen werden.
Mikrofluidik-Vorrichtung 12 ist deutlicher in 2 ersichtlich. Mikrofluidik-Vorrichtung 12 umfasst eine Anordnung an Speichern 18a, 18b, ..., die miteinander durch Kanäle im Mikronenbereich gekoppelt ist, die ein Mikrofluidik-Netz 30 definieren. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Bezeichnung „Mikrobereich" oder im „Mikromaßstab hergestellt" im Allgemeinen auf Strukturelemente oder -merkmale einer Vorrichtung, die zumindest eine hergestellte Abmessung im Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 500 μm haben. Daher umfasst eine Vorrichtung, die als im Mikromaßstab oder Mikrobereich hergestellt bezeichnet ist, zumindest ein Strukturelement oder -merkmal mit einer solchen Abmessung. Wenn diese zur Beschreibung eines Fluidikelements, beispielsweise eines Durchgangs, einer Kammer oder eines Kanals, verwendet wird, beziehen sich die Bezeichnungen „Mikrobereich" oder „im Mikromaßstab hergestellt" oder „Mikrofluidik" im Allgemeinen auf einen oder mehrere Fluiddurchlässe, Kammern oder Kanäle, die zumindest eine interne Querschnittsabmessung, beispielsweise Tiefe, Breite, Länge, Durchmesser, etc., haben, die weniger als 500 μm beträgt, und üblicherweise in einem Bereich von etwa 0,1 μm und 500 μm liegt. In den Vorrichtungen haben die Mikrokanäle oder -kammern vorzugsweise mindestens eine Querschnittsabmessung zwischen 0,1 μm und 200 μm, bevorzugterweise zwischen 0,1 μm und 100 μm und oft zwischen 0,1 μm und 50 μm.
Die Mikrofluidik-Systeme oder -Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung umfassen üblicherweise zumindest einen Mikrokanal, normalerweise zumindest zwei sich kreuzende Mikrokanalsegmente, und oft drei oder mehr sich kreuzende Kanalsegmente, die in einer einzigen Körperstruktur angeordnet sind. Kanalkreuzungen können in einer Reihe an Formaten vorhanden sein, einschließlich kreuzförmigen Kreuzungen, T-Kreuzungen oder jeden Anzahl an anderen Strukturen, wodurch zwei Kanäle in Fluidkommunikation sind.
Die Körperstrukturen der Vorrichtungen, welche verschiedene Mikrofluidik-Kanäle, -Kammern oder andere Elemente umfassen, können aus einer Reihe an Einzelteilen hergestellt werden, die, wenn verbunden, die hierin beschriebenen einstückigen Mikrofluidik-Vorrichtungen bilden. Beispielsweise kann die Körperstruktur aus einer Reihe an separaten Kapillarelementen, Mikrokammern oder Ähnlichem bestehen, die alle miteinander verbunden sind, um eine einstückige Körperstruktur zu bilden. Als Alternative dazu und in bevorzugten Aspekten ist die einstückige Körperstruktur aus zwei oder mehreren Substratschichten hergestellt, die miteinander verbunden sind, um eine Körperstruktur zu definieren, in der das Kanal- und das Kammernetz der Vorrichtungen vorhanden sind. Insbesondere ein gewünschtes Kanalnetz ist auf einer typisch planaren Oberfläche an zumindest einer der beiden Substratschichten als eine Reihe an Rillen oder Vertiefungen in dieser Oberfläche verlegt. Eine zweite Substratschicht liegt über der ersten Substratschicht und ist mit dieser verbunden, deckt und dichtet die Rillen ab, um die Kanäle im Inneren der Vorrichtung zu definieren. Um Fluid- und/oder Steuerzugang zu den Kanälen der Vorrichtung bereitzustellen, ist eine Reihe an Speichern oder sind Speicher üblicherweise in zumindest einer der Substratschichten angeordnet, deren Speicherreihe oder Speicher in Fluidkommunikation mit den verschiedenen Kanälen der Vorrichtung sind.
Eine Reihe an verschiedenen Substratmaterialien kann zur Herstellung der Vorrichtungen der Erfindung, einschließlich von siliziumbasierten Substraten, beispielsweise Glas, Quarz, Hartglas, Silizium und Ähnliches, Polymersubstraten, beispielsweise Acryl (beispielsweise Polymethylmethacrylat), Polycarbonat, Polypropylen, Polystyrol und Ähnliches, verwendet werden. Beispiele von bevorzugten Polymersubstraten werden in der parallel vorliegenden, veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO98/46438 beschrieben. Siliziumbasierte Substrate sind im Allgemeinen empfänglich für Mikroherstellungsverfahren, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind, einschließlich beispielsweise der Photolithographieverfahren, des nasschemischen Ätzens, reaktives Ionenstrahlätzen (RJE) und Ähnliches. Die Herstellung der Polymersubstrate wird im Allgemeinen unter Verwendung bekannter Polymerherstellungsverfahren, beispielsweise Spritzgießen, Prägen oder Ähnlichem, durchgeführt. Insbesondere Mutterformen oder der -stempel werden wahlweise aus festen Substraten, beispielsweise Glas, Silizium, Nickelelektroformen und Ähnlichem, unter Verwendung allseits bekannter Mikroherstellungsverfahren ausgebildet. Diese Ver fahren umfassen Photolithographie, gefolgt vom nasschemischen Ätzen, LIGA-Verfahren, Laserablation, Dünnschicht-Abscheidungsverfahren, chemische Dampfabscheidung und Ähnlichem. Diese Vorlagen werden dann zum Spritzgießen, Ausformen oder Prägen der Kanalstrukturen in der planaren Oberfläche der ersten Substratoberfläche verwendet. Insbesondere in den bevorzugten Aspekten werden die Kanal- oder Kammerstrukturen in die planare Oberfläche des ersten Substrats geprägt. Verfahren zur Herstellung und zum Verbinden der Polymersubstrate werden in der parallel vorliegenden US-Patentanmeldung Nr. 09/073.710, eingereicht am 6. Mai 1998, beschrieben, welche hierin in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke unter Verweis aufgenommen ist.
Weitere bevorzugte Aspekte der Mikrofluidik-Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind in der US-Parallelanmeldung Nr. 09/238.467, wie am 28. Januar 1999 eingereicht (gemeinsam mit der vorliegenden Anmeldung WO 00/45172 übertragen), in größerem Umfang beschrieben. Diese bevorzugten Aspekte umfassen beispielsweise eine im Inneren der Gesamtkörperstruktur der Vorrichtung angeordneten Reaktionszone, ein Reagens oder eine andere Komponente eines „biochemischen Systems" (im Allgemeinen als eine chemische Interaktion bezeichnet, die Moleküle des im Allgemeinen in lebenden Organismen vorhandenen Typs umfasst), Abfühlsysteme zum Detektieren und/oder Quantifizieren der Ergebnisse einer besonderen Reaktion (oft durch Abfühlen eines optischen oder anderen detektierbaren Signals der Reaktion) und Ähnliches.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 werden die Speicher 18 oft durch Öffnungen in einer darüber liegenden Substratschicht definiert. Die Speicher 18 sind miteinander durch die Kanäle 32 des Mikrofluidik-Netzes 30 gekoppelt, wobei die Kanäle im Allgemeinen durch Vertiefungen in einen unterhalb angeordneten Schicht des Substrats definiert sind, wie oben ebenfalls beschrieben worden ist.
Mikrofluidik-Kanäle 32 sind in Fluidkommunikation miteinander an den Kanalkreuzungspunkten 34a, 34b, ... (im Allgemeinen als Kreuzungspunkte 34 bezeichnet). Zur Vereinfachung der Analyse des Mikrofluidik-Netzes 30 können die Kanäle 32 als Ka nalsegmente analysiert werden, die sich zwischen den an den Speichern 18 und/oder den Kanalkreuzungspunkten 34 definierten Knoten erstrecken.
Zur Bereitstellung verbesserter Steuerung der Fluidbewegung im Mikrofluidik-Netz 30 durch Verringern der Auswirkungen der hydrostatischen Sekundärkräfte (beispielsweise Kapillarkräfte in den Speichern 18) kann der Widerstand der Kanäle 32 gegenüber dem Strömen durch das Mikrofluidik-Netz erhöht werden. Diese erhöhten Kanalwiderstände können durch Verfügen über eine Kanallänge bereitgestellt werden, die größer als die normale Teilung zwischen den das Kanalsegment definierenden Knoten sind, beispielsweise durch Verfügen über meanderförmige Bereiche 36 entlang der Kanalsegmente. Alternativ kann eine Querschnittsabmessung des Kanals entlang zumindest eines Abschnitts des Kanals verringert werden oder die Strömung kann durch einen Strömungsbegrenzer, beispielsweise eine örtliche Öffnung, eine Beschichtung oder ein im Kanal angeordnetes Material oder Ähnliches, blockiert werden. Im Allgemeinen sollte die Mikrofluidik-Vorrichtung 12 für die hydrodynamische Strömung optimiert werden, um alle Vorteile der durch die Druckmodulatoren bereitgestellten Strömungsteuerung vollständig auszunutzen. Die Strömungssteuerung wird im Allgemeinen durch Bereitstellen eines ausreichenden Strömungswiderstands zwischen jedem Speicher 18 und den angrenzenden Knoten erhöht, um eine ausreichende Änderung in der Strömungsgeschwindigkeit zu ermöglichen, die in den verschiedenen Kanalsegmenten in Anbetracht des dynamischen Betriebsdruckbereichs der Druckmodulatoren zu erzielen ist.
Der Druckverteiler 28 ist in den 3A und 3B besser ersichtlich. Der Verteiler 28 hat zumindest eine Vorrichtungseingriffsoberfläche 40 zum In-Eingriff-bringen der Mikrofluidik-Vorrichtung 12, wobei die Eingriffsoberfläche eine Anordnung an Drucklumina 42 hat, die den Speichern 18 der Vorrichtung entspricht. Jedes der Drucklumina 42 ist in Fluidkommunikation mit einem Rohrverbindungsstück 44 zum Koppeln jedes Speichers mit einem zugehörigen Druckmodulator über ein zugehöriges Rohr. Der Dichtungskörper 46 hilft beim Aufrechterhalten einer Dichtung zwischen dem zugehörigen Druckmodulator und dem Speicher und der Verteiler 28 ist lösbar an der Vorrichtung 12 durch einen Befestigungsmechanismus 48 befestigt, der hierin Öffnungen für Gewindebefestigungsvorrichtungen oder Ähnliches umfasst.
Der Verteiler 28 kann ein Polymer umfassen, beispielsweise ein 6061-T6-Aluminium oder eine große Vielfalt an alternativen Materialien. Die Lumina 42 können eine Abmessung in einem Bereich von etwa 2 mm bis etwa 3 mm haben. Das Rohrverbindungsstück 44 umfasst wahlweise herkömmliche ¼-28-Rohrverbindungsstücke. Der Dichtungskörper 46 umfasst oft ein Elastomer, beispielsweise natürlichen oder künstlichen Kautschuk.
Das Druckübertragungssystem (einschließlich des Verteilers 28) hält vorzugsweise eine Dichtung, wenn die Übertragungsdrücke größer als der Umgebungsdruck (gemessener Überdruck) und kleiner als der Umgebungsdruck (gemessener Unterdruck oder Vakuum) sind. Das Druckübertragungssystem und die Modulatorengruppe 14 sind im Allgemeinen zum Anlegen von Druckdifferenzen geeignet, die erheblich höher als hydrostatische oder Kapillardrücke sind, die beispielsweise durch einen Puffer oder andere Fluide in den Speichern 18 ausgeübt werden, um Veränderbarkeit oder ein Rauschen im Druckdifferential oder den entstehenden Strömungsgeschwindigkeiten zu vermeiden. Da die Kapillardrücke in den Speichern 18 üblicherweise weniger als 1/10 eines psi sind, oft weniger als 1/100 eines psi, ist das System vorzugsweise dazu geeignet, die Drücke an den Speichern 18 in einem Bereich von mindestens ½ psi zu verändern, wobei häufiger ein Druckbereich von mindestens 1 psi vorliegt, und am häufigsten ein Druckbereich von zumindest +/– 1 psig (um ein Druckdifferential von 2 psi bereitzustellen). Viele Systeme sind dazu geeignet, zumindest ein Druckdifferential von etwa 5 psi anzulegen, wobei wahlweise Druckübertragungseigenschaften vorhanden sind, um einen Druck überall in einem Bereich von zumindest etwa +/– 5 psig (1 psi = 68,95 mbar) anzulegen.
Ein Steuersystem zum Auswählen der an die Speicher 18 angelegten Drücke ist in 4 schematisch dargestellt. Die Steuervorrichtung 22 umfasst im Allgemeinen eine Schaltungsanordnung und/oder eine Programmierung, die der Steuervorrichtung das Bestimmen der Speicherdrücke ermöglicht, die eine gewünschte Strömung in ei nein Kanal des Mikrofluidik-Netzes 30 bereitstellen (hier schematisch als Mikrofluidik-Netzsteuervorrichtung 52 veranschaulicht) und ebenfalls eine Schaltungsanordnung und/oder Programmierung zum Leiten der Modulatoren der Modulatorengruppe 14 umfasst, um die gewünschten einzelnen Speicherdrücke (hier schematisch als eine Vielzahl an Drucksteuervorrichtungen 54 veranschaulicht) bereitzustellen. Es ist verständlich, dass die Netzsteuervorrichtung 52 und die Drucksteuervorrichtung 54 in einem einzigen Hardware- und/oder Softwaresystem eingebaut sind, beispielsweise auf einer einzigen Prozessorkarte laufen, oder dass eine große Vielfalt an Verteilungsverfahren verwendet werden könnten. Während die Drucksteuervorrichtungen 54 hier schematisch als separate Drucksteuervorrichtungen für jeden Modulator gezeigt sind, könnte eine einzige Drucksteuervorrichtung auf ähnliche Weise mit Datentest- und/oder Multiplexing-Verfahren verwendet werden.
Im Allgemeinen überträgt die Drucksteuervorrichtung 54 die Ansteuersignale an einen Aktuator 56 und der Aktuator bewegt als Reaktion auf die Ansteuersignale einen Kolben einer Verschiebungspumpe oder einer Spritze 58. Die Bewegung des Kolbens in der Pumpe 58 ändert den Druck im Druckübertragungssystem 20 und die Druckveränderung wird vom Drucksensor 24 detektiert. Der Drucksensor 24 stellt der Drucksteuervorrichtung 54 ein Rückkopplungssignal bereit und die Drucksteuervorrichtung verwendet wahlweise das Rückkopplungssignal, um die Ansteuersignale abzustimmen und den Kolben genau zu positionieren.
Zur Verbesserung des Zeitverlaufs des Drucksteuersystems kann die Drucksteuervorrichtung 54 Druckkalibrierungsdaten 60 beinhalten. Die Kalibrierungsdaten zeigen im Allgemeinen eine Korrelation zwischen den an den Aktuator 56 übertragenen Ansteuersignalen und dem aus den Druckmodulatoren bereitgestellten Druck an. Die Druckkalibrierungsdaten 60 werden vorzugsweise durch anfängliches Kalibrieren des Druckänderungssystems, idealerweise vor Testbeginn unter Verwendung des Mikrofluidik-Netzes, bestimmt.
Die Erstellung der Kalibrierungsdaten 60 kann durch Übertragen eines Kalibrierungsansteuersignals an den Aktuator 56 und durch Abfühlen der Druckreaktion un ter Verwendung des Drucksensors 24 durchgeführt werden. Die Druckänderung aus diesem Kalibrierungstest kann im Programm in Form von Kalibrierungdaten 60 gespeichert werden. Das Kalibrierungssignal ruft üblicherweise eine bekannte Verschiebung des Kolbens in der Pumpe 58 hervor. Unter Verwendung dieser bekannten Verschiebung und der gemessenen Druckveränderung kann die Gesamtdrucksystemreaktion für zukünftige Ansteuersignale unter Verwendung der Zustandsgleichung für ideale Gase, PV = nRT (worin P der Druck, V das Gesamtvolumen des komprimierbaren Gases, R die Gaskonstante und T die Temperatur ist) berechnet werden. Die Kalibrierung kann für jeden Modulator/Druckübertrageungssysteme/Speicher durchgeführt werden (um die verschiedenen Reagenzienmengen in den Speichern aufzunehmen und Ähnliches) oder kann auf einem einzigen Speicher-Druckerzeugungssystem als Schätzung zur Kalibrierung für alle Modulatoren des Systems durchgeführt werden.
Sobald die Kalibrierungsdaten 60 erzeugt worden sind, kann die Drucksteuervorrichtung 54 die Ansteuersignale für jeden Aktuator 56 rasch als Reaktion auf ein gewünschtes Drucksignal erstellen, das von der Netzsteuervorrichtung 52 übertragen wird. Es ist anzumerken, dass diese Schätzung vorzugsweise das sich ändernde Gesamtvolumen des komprimierbaren Gases im System aufnimmt, so dass die berechnete Druckveränderung für eine gegebene Verschiebung des Kolbens in der Pumpe 58 bei niedrigen Drücken sich von der gleichen Verschiebung des Kolbens bei hohen Drücken verschieden sein kann (also die Verschiebungs-/Druckkorrelationsdarstellung nicht linear, sondern kurvenförmig ist).
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Aktuator 56 einen Schrittmotor, der mit einem linearen Ausgabemechanismus gekoppelt ist. Die Pumpe 58 umfasst eine Spritze mit einer Länge von etwa 100 mm und einem Durchmesser von 20 mm. Die Gesamtreaktionszeit für das System kann von einer Reihe an Parametern, einschließlich des Totvolumens, der Spritzengröße und Ähnlichem, abhängen. Vorzugsweise ist die Reaktionszeit weniger als etwa 1 s/psi der Druckveränderung, idealerweise weniger als 500 ms/psi für eine Druckveränderung von Null auf 1 psi.
Die Netzsteuervorrichtung 52 berechnet im Allgemeinen den gewünschten Druck aus jedem der Druckmodulatoren als Reaktion auf einen gewünschten Fluss in einem oder mehreren der Kanäle des Mikrofluidik-Netzes 30. In Anbetracht einer gewünschten Kanalströmung leitet die Netzsteuervorrichtung 52 diese Drücke unter Verwendung der Netzdaten ab, wobei die Netzdaten üblicherweise entweder durch ein mathematisches Modell des Mikrofluidik-Netzes 64 und/oder eine Testvorrichtung 66 zugeführt werden. Die Netzdaten 62 zeigen im Allgemeinen eine Korrelation zwischen den an die Speicher 18 zugeführten Druckdifferentiale an und strömen in den Mikrofluidik-Kanälen.
Das Netzmodell 64 umfasst vorzugsweise die Programmierung, um die gewünschten hydrodynamischen Strömungsgeschwindigkeiten in Drücke übersetzen zu helfen, die an die Speicher 18 angelegt werden. Ein beispielhaftes Netzmodell 64 erzeugt ein hydrodynamisches mehrstufiges Widerstandsnetz, das mit jedem Mikrofluidik-Netz 30 korreliert, wie anhand der 5A–C ersichtlich.
Unter Bezugnahme auf 5A und 2 können Knoten an jedem Well 18 und an jedem Kreuzungspunkt 34 definiert werden. Hydrodynamische Widerstände der Kanalsegmente, die die Knoten koppeln, können aus dem Chipdesign berechnet werden. Insbesondere die Berechnung der hydrodynamischen Widerstände kann unter Verwendung der hydrostatischen Druckverlustberechnungen auf Basis der Querschnittsabmessungen der Kanäle 32, der Länge der die Knoten verbindenden Kanalsegmente, der Kanaloberflächeneigenschaften, der Fluideigenschaften der in den Strömungen enthaltenen Fluide und Ähnlichem durchgeführt werden.
Die Analyse des mehrstufigen Strömungswiderstandnetzes kann unter Verwendung von oft zur Analyse von Strom in elektrischen Schaltungen eingesetzten Verfahren durchgeführt werden, wie anhand der Bezugnahme auf die 5B–5C ersichtlich. Die hydrodynamischen Widerstände der Kanalsegmente, welche die Speicher 18 mit den angrenzenden Knoten verbinden, können als unterste Stufe eines mehrstufigen Netzes analysiert werden. Die diese untersten Stufensegmente verbindenden Kanalsegmente bilden die zweite Stufe der hydrodynamischen Widerstände des Netzes.
Diese stufenweise Analyse wird fortgesetzt, bis alle Kanäle des Mikrofluidik-Netzes 30 in dem Netzmodell enthalten sind. Die relative Strömungsgeschwindigkeit jedes beliebigen Kanals im Mikrofluidik-Netz kann dann erhalten werden, sobald die Strömungsgeschwindigkeiten aus jedem der Speicher 18 in der untersten Stufe berechnet worden sind.
Wie oben beschrieben, können die Strömungswiderstände alleine auf Basis des hydrodynamischen Chipdesigns berechnet werden. Es ist also möglich, diese Widerstände unter Verwendung von beispielsweise elektrischen Sensoren, Druckabfallsensoren oder Ähnlichem zu messen. Mit anderen Worten, die Widerstände gegenüber der hydrodynamischen Strömung der Kanäle und Kanalsegmente können beispielsweise durch Messen elektrischer Widerstände zwischen den Speichern 18 gemessen werden, während ein leitendes Fluid im Netz angeordnet ist. Sobald die Kanalwiderstände bekannt sind, kann ungeachtet davon der Druckabfall in jedem Kanalsegment im Netz durch einfaches Multiplizieren der Strömungsgeschwindigkeit dieses Kanals mit seinem zugehörigen Kanalwiderstand erhalten werden. Der Druck jedes Speichers 18 kann dann durch Addieren aller Druckabfälle entlang des Netzes 30, beginnend an der obersten Stufe des Netzes, berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf das beispielhafte Programm zur Druckberechnung, gezeigt in 5B und 5C, steht eine hydrodynamische Strömungsgeschwindigkeit Q durch die folgende Gleichung in Verbindung mit dem Strömungswiderstand R_e und dem Druckdifferential Δ: ΔP = Q·Re
Diese Beziehung ähnelt jener, die in den elektrokinetischen Berechnungen verwendet wird, in der der Strom I und der elektrische Widerstand R in Bezug zu Spannung V durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: V = I·R
Dies vereinfacht die Anwendung der Schaltungsanalyseverfahren auf die hydrodynamische Analyse.
Die Bestimmung der Speicherdrücke zur Bereitstellung einer gewünschten Strömungsgeschwindigkeit wird vorzugsweise unter Verwendung eines Druckberechnungsprogramms 70, wie in 5C gezeigt, durchgeführt. Die gewünschten Strömungsgeschwindigkeiten werden in Schritt 72 aus jedem Speicher 18 eingegeben. Diese Strömungsgeschwindigkeiten können durch den Benutzer – mithilfe eines automatisierten Testmatrix-Erzeugungsprogramms oder Ähnliches – eingegeben werden. Die Strömungswiderstände werden, wie oben beschrieben, erhalten 74 und die Eingabe-Strömungsgeschwindigkeiten verteilen sich durch das Netz, um Strömungsgeschwindigkeiten für jede Abzweigung 76 zu erhalten. Der Druckabfall jeder Abzweigung wird dann unter Verwendung der Netzwiderstandsschaltung 78 bestimmt. Diesen Druckabzweigungen wird dann das Verteilen durch das Netz ermöglicht, um Speicherdrücke 80 zu erhalten, um die gewünschte Strömung zu beeinflussen.
Unter Bezugnahme auf 6 verwendet eine alternative Ausführungsform eines Mikrofluidik-Systems sowohl den elektrokinetischen Transport- als auch den hydrodynamischen Transportmechanismus, um Fluide in den Mikrofluidik-Kanälen des Systems zu bewegen. Der elektrokinetische Transfer von Fluiden weist erhebliche Vorteile auf, wenn Elektroosmose und/oder Elektrophorese gewünscht sind. Elektrokinetischer Fluidtransport ist sowohl schnell als auch praktisch und Veränderungen der Kanaloberfläche sind möglich, um die Nachteile des elektrokinetischen Transports zu vermeiden und/oder zu verstärken. Die Gallenprofile der Fluidballen, die in einem elektrokinetischen Transportsystem bewegt werden, können gut gesteuert und definiert werden.
Das elektrokinetische/hydrodynamische System 90 stellt ebenfalls die Vorteile des oben beschriebenen hydrodynamischen Transports bereit. Dieser hydrodynamische Transport ist relativ zuverlässig und ist unabhängig von Ladungen und elektrischen Oberflächeneigenschaften der Kanäle. Der hydrodynamische Transport ist beson ders gut für Bioverbindungen geeignet, die auf elektrische Felder empfindlich reagieren.
Das elektrokinetische/hydrodynamische Mikrofluidik-System 90 umfasst viele der oben beschriebenen Druckerzeugungs-, Mikrofluidik-Netz- und Steuerkomponenten. In dieser Ausführungsform umfasst der Verteiler 92 Rohrverbindungsstücke 44, die sich seitlich vom Verteiler öffnen, um dichte Fluidkommunikation mit jedem Druckübertragungsrohr 20 mit einem zugehörigen Speicher 18 der Mikrofluidik-Vorrichtung 12 bereitzustellen. Außerdem sind die Elektroden 94 mit jedem der Speicher 18 über den Verteiler 92 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform umfassen die Elektroden Platinoberflächen, die sich vom Verteiler 92 nach unten zum elektrischen Kontakt mit in den Speichern 18 angeordneten Fluiden erstrecken, wenn der Verteiler einen Dichtungseingriff zwischen den Rohrverbindungsstücken 44 und den Speichern bereitstellt. Das Koppeln der Elektroden mit den Rohrverbindungsstücken 44 kann unter Verwendung der „T-Verbinder" im Verteiler für jeden Well und durch Einführen einer Platinelektrode über und durch das „T" bereitgestellt werden. Die geeignete (in diesem Beispiel obere) Verbinderabzweigung des T-Verbinders kann abgedichtet werden und die Elektrode kann in Position mit einem Dichtungsmaterial, beispielsweise Epoxid, fixiert werden.
Durch Koppeln der Elektroden 94 mit Computer 22 und durch Aufnehmen einer elektrokinetischen Fluidtransport-Steuervorrichtung, die zum Hervorrufen von Elektroosmose und Elektrophorese geeignet ist, im Computer, ist das System von 6 dazu geeignet, Pumpen, Ventile, Spendevorrichtungen, Reaktoren, Teilungssysteme und andere laborübliche Fluidhandhabungsmechanismen zu emulieren, oft ohne dass auf bewegliche Teile auf einer Mikrofluidik-Vorrichtung 12 zurückgegriffen werden muss. Der elektrokinetische Transport und die Steuerung werden beispielsweise im US-Patent Nr. 5.965.001 beschrieben.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung der druckmodulierten Strömungssteuerung kann unter Bezugnahme auf 7A und 7B verstanden werden. In vielen chemischen Analysen ist es erwünscht, die relativen Strömungsgeschwindigkeiten aus zwei mit einem herkömmlichen Knoten verbundenen Speichern zu variieren, um eine Konzentration einer Testlösung, eines Reagens oder Ähnlichem, insbesondere zur Definition der Standardkurven der chemischen Reaktionen zu variieren. Wie in 7A gezeigt, ist es möglich, die Strömungen aus zwei Speichern elektrokinetisch zu variieren, wobei die relativen Fluidkonzentrationen durch die Änderungen der Fluoreszensintensität im Lauf der Zeit angezeigt werden. Leider kann die Steuerung der relativen Strömungsgeschwindigkeiten (und daher die Konzentration) weniger als ideal aufgrund der Änderung der Kapillarkräfte in den Speichern und Ähnlichem sein.
Eine alternatives Weltpaar-Verdünnungsdiagramm von 7B kann durch Änderung der Konzentrationen unter Verwendung einer Mehrfach-Drucksteuerung erzeugt werden. Dieses Diagramm zeigt das verringerte Rauschen und die verbesserte Strömungssteuerung an, die durch die Drucksteuerungssysteme der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Wie oben beschrieben, kann die hydrodynamische Steuerung durch Erhöhen des Widerstands der Kanalsegmente erhöht werden. In der beispielhaften Mikrofluidik-Vorrichtung 12, gezeigt in 2, weisen die die Wells 18b, 18c, 18d, 18e, 18f und 18g mit den angrenzenden Knoten koppelnden Kanäle 32 einen Widerstand von 1,3 × 10¹¹ g/cm⁴s auf. Der den Speicher 18a mit dem angrenzenden Kreuzungspunkt 34 koppelnde Kanal 32 weist einen Widerstand von 4,8 × 10¹⁰ g/cm⁴s auf. Ein solcher Chip ist zur Verwendung mit Strömungen, die einen Druckabfall zwischen den Speichern von etwa 2 psi haben, besonders geeignet, um eine Mischzeit von etwa 6 Sekunden und eine Reaktionszeit von etwa 20 Sekunden bereitzustellen.
7C ist ein Diagramm der gemessenen Verdünnung in Abhängigkeit von der festgesetzten Verdünnung für ein Verdünnungswellpaar mit einem hydrodynamischen Strömungssystem, welches die Genauigkeit und die Steuerbarkeit dieser Verdünnungsverfahren zeigt. 7D und 7E sind Diagramme der gemessenen Verdünnung nahe der oberen bzw. unteren Extremität, welche zeigen, dass eine kleine Mischmenge an einem Kanalkreuzungspunkt auftreten kann, wenn die Strömung von einem Kanal zumindest im Wesentlichen angehalten wird. Wie unter Bezugnahme auf diese Figuren ersichtlich, können einige Veränderungen der Gesamtströmung aus einem oder mehreren Kanälen an einem Kreuzungspunkt verwendet werden, um einen gewünschten Verdünnungsprozentsatz zu erhalten, der an ein Maximum und/oder ein Minimum des Verdünnungsbereichs angrenzt. Beispielsweise können relative Strömungseinstellungen innerhalb von 5% eines Maximums oder eines Minimums einer gewünschten Verdünnung, und oftmals innerhalb von 2,5% eines gewünschten Maximums und/oder Minimums eingesetzt werden. Insbesondere kann das Fluid zur Erzielung einer tatsächlichen Verdünnung von fast 0% von einem gegebenen Kanal zu einem Kreuzungspunkt in den Kanal an dem Kreuzungspunkt strömen. Auf ähnliche Weise kann mehr als 100% der gewünschten Strömung aus dem Zufuhrkanal in den Kreuzungspunkt bereitgestellt werden, um eine zu 100% gemessene Verdünnung aus dem Kanal zu erhalten.
Die Charakterisierung eines Enzyms umfasst oft die Bestimmung einer Maximalreaktionsgeschwindigkeit und einer Michaelis-Konstante für jedes Substrat. Die Enzymreaktion der alkalischen Phosphatase auf dFMUO (wie in 8 angezeigt) wurde auf einer zum Ansteuern mittels Druck-Strömung optimierten Mikrofluidik-Vorrichtung 12 erforscht. 8A ist eine Titrationskurve für verschiedene Konzentrationen mit und ohne Substrat. Ein Diagramm eines korrigierten Hintergrundsignals im Vergleich zur Substratkonzentration, ist in in 8B gezeigt, während ein Lineweaver-Burk-Diagramm für die Michaelis-Konstante (Km) in 8C bereitgestellt ist. Die Ergebnisse eines Substrattitrationstests für die Reaktion sind in 8D dargestellt.
Zusätzliche beispielhafte Testreaktionen, Testergebnisse und Mikrofluidik-Netze zur Bereitstellung dieser Ergebnisse sind in 9A bis 10B dargestellt. Insbesondere 9A–C zeigen die Reaktions- und Testergebnisse für einen Protein-Kinase-A-Test (PKA-Test), der bei verschiedenen ATP-Konzentrationen durchgeführt wird. 10A veranschaulicht ein Chipdesign mit einem Mikrofluidik-Netz 130 von Mikrofluidik-Kanälen 32, die die Speicher 18 verbinden, in denen das Netz für einen Beweglichkeits-Verschiebungs-Test eingestellt ist. 10B sind beispielhafte Ergebnisse eines Beweglichkeits-Verschiebungs-Test mit verschiedenen ATP-Konzentrationen, wie sie unter Verwendung des Chipdesigns von 10A gemessen werden können.
In den 11A und 11B wird eine beispielhafte Verteiler- oder Chipkreuzungspunktstruktur 92' noch genauer gezeigt. Der beispielhafte Verteiler 92' ist eingestellt, um sowohl eine hydrodynamische Kopplung als auch eine elektrokinetische Kopplung zwischen einem Mikrofluidik-Körper und einer zugehörigen Steuervorrichtung, wie oben beschrieben, bereitzustellen. Die elektrischen Leitungsdurchlässe 140 zum Koppeln der Elektroden 94 an einer Systemsteuervorrichtung 22 (siehe 6) sind in 11A gezeigt. 11B veranschaulicht Verteiler-Druckübertragungslumina 142, die Fluidkommunikation zwischen den Rohrverbindungsstücken 44 und einer Mikrofluidik-Körper-Kreuzungspunktoberfläche 144 im Inneren des Verteilers 92' bereitstellen. Die Verteilerlumina 142 sind in strichlierte Konturen dargestellt.
Die genaue Steuerung der Fluidströmungen in einem Netz von Mikrofluidik-Kanälen kann auch in einem relativ einfachen Kanalnetz sehr schwierig sein. Insbesondere in vielen Mikrofluidik-Vorrichtungen kann eine Reihe an verschiedenen Fluiden (mit verschiedenen Eigenschaften) in einem einzigen Kanalsegment vorhanden sein. Wie oben beschrieben, kann es möglich sein, dort, wo der Hydrowiderstand jedes Kanalsegments erhalten werden kann, die Fluidströmungen durch das Netz für eine gegebene Druckkonfiguration zu simulieren und zu berechnen. Leider ist es sehr schwierig, die Viskositäten (und somit die Widerstände und Strömungsgeschwindigkeiten) genau zu berechnen, wenn einige verschiedene Puffer in einem Kanal, oft zusammen mit einer oder mehreren verschiedenen Testfluidproben, verwendet werden.
Glücklicherweise kann ein relativ einfacher Strömungssensor bereitgestellt werden, um eine tatsächliche Strömung in einem Kanal eines Mikrofluidik-Netzes zu messen. Wo die gemessenen Strömungsergebnisse aus einer bekannten Ansteuerkraft (beispielsweise einem bekannten Druckdifferential) bestimmt werden können, können dann die an die Strömungsspeicher zur Beeinflussung eines gewünschten Strömungszustands anzulegenden Drücke berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf 12 verwendet ein relativ einfaches Viskometer 150 einen Kanalkreuzungspunkt 152 an einer ersten Position und einen Detektor 154 an einer zweiten Position, um die Fluidströmungseigenschaften zu messen. Im Allgemeinen kann eine stationäre Strömung in einem Mikrofluidik-Kanal 32 zwischen dem Kreuzungspunkt 152 und dem Sensor 154 unter Verwendung eines Druckdifferentials zwischen den Speichern 18, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Der Kreuzungspunkt 152 kann ein Signal auf eine stationäre Strömung durch Anlegen eines Druckimpulses an einen oder mehrere Speicher 18 durch Anlegen eines elektrokinetischen Impulses über dem Kreuzungspunkt 152 oder Ähnliches aufprägen. Das an dem Kreuzungspunkt 152 aufgeprägte Signal wird oft in Form einer kleinen Strömungsstörung, üblicherweise für eine kurze Zeitdauer, auftreten. Wo beispielsweise der Speicher 18d eine detektierbare Farbe umfasst, kann die Strömungsstörung oder das Signal eine Erhöhung oder Verringerung der Farbkonzentration in der Strömung im Mikrofluidik-Kanal 32 vom Kreuzungspunkt 152 in Richtung Detektor 154 umfassen.
Der Detektor 154 ist stromabwärts vom Kreuzungspunkt 152 angeordnet und kann zur Detektion der Ankunftszeit des Signals beispielsweise als eine Spitze oder ein Abfall in der Intensität eines fluoreszierenden Signals aus der Farbe verwendet werden. Daher kann der Zeitunterschied zwischen Anlegen des Signals am Kreuzungspunkt 152 und Abfühlen der Signalströmung am Detektor 154 problemlos gemessen werden. Durch Abrufen dieses Zeitdifferentials Δt und das Kennen des Abstands entlang des Kanals 32 zwischen Kreuzungspunkt 152 und Detektor 154, Δd, aus der Mikrofluidik-Netzgeometrie kann die Strömungsgeschwindigkeit Q aus der folgenden Gleichung berechnet werden: Q = A(Δd/Δt)worin A der Querschnittsbereich des Kanals ist. Diese gemessene Strömungsgeschwindigkeit einer stationären Strömung für eine gegebene Anfangsansteuerkraft erleichtert die Berechnung einer passenden Druckkonfiguration erheblich, um eine gewünschte Strömung zu erzielen.
Ist die Viskosität durch das System von 12 zu bestimmen, können die Speicher 18d und 18e, die mit dem Kanal 32 durch den Kreuzungspunkt 152 gekoppelt sind, einzeln oder gemeinsam Fluid mit bekannter oder unbekannter Viskosität in den Mikrofluidik-Kanal an dem Kreuzungspunkt einbringen, um eine Strömung in dem Kanal mit einem unbekanntem Gesamtströmungswiderstand bereitzustellen. Enthält der Kanal 32 wahlweise nur eine geringe Menge an fluoreszierender Farbe (um jeden Einfluss der Farbe auf die unbekannte Gesamtviskosität zu verhindern), dann kann eine an den Öffnungen 18 im Wesentlichen konstante Druckkonfiguration die Strömung vom Kreuzungspunkt 152 in Richtung des Detektors 154 ansteuern. Dieser stationäre Strömungszustand kann durch ein konstantes Vakuum am an den Detektor 154 angrenzenden Speicher 18a, durch positive Drücke, die an den an den Kreuzungspunkt 152 angrenzenden Speichern 18d, 18e angelegt werden oder einer Kombination aus beiden beeinflusst werden. Ungeachtet dessen wird die stationäre Strömung mit einem konstanten Druckdifferential zu einer volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit Q im Kanal 32 führen, die linear proportional zum Druckdifferential ΔP und invers proportional zur Fluidviskosität η wie folgt ist: Q = KΔP/η
K ist eine Proportionalitätskonstante, die von der Geometrie des Kanalnetzes abhängt. K kann aus der Kanalgeometrie berechnet werden oder durch einen Standardkalibrierungstest oder Ähnliches bestimmt werden.
Eine Reihe an alternativen Strukturen kann verwendet werden, um Strömungseigenschaften abzufühlen, um eine geeignete Druckkonfiguration anzulegen, um eine gewünschte Strömung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Signal an einer Strömung in einem Mikrofluidik-Kanal durch Photobleichen einer fluoreszierenden Farbe aufgeprägt werden, statt eine Strömungsstörung an einem Kreuzungspunkt aufzuprägen. Alternative Strömungsgeschwindigkeits-Messungsansätze, beispielsweise Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung, Markierungspartikel-Videographie und Ähnliches, sind ebenfalls möglich. Unter Verwendung solcher Verfahren kann ein einfacher gerader Kanal, der einen Fluidzufuhrspeicher und einen Abwasserfluidspeicher verbindet, ausreichen, wobei der Fluidzufuhrspeicher ein Fluid enthält, welches eine photobleichbare, fluoreszierende Markierungsfarbe oder geeignete Markierungspartikel enthält.
Wie unter Bezugnahme auf die Berechnungen der oben genannten Strömungsgeschwindigkeit Q ersichtlich ist, kann der Sensor ebenfalls zur Bestimmung alternativer Strömungseigenschaften in einem Mikrofluidik-Kanal, einschließlich der Strömungsgeschwindigkeit, der Proportionalitätskonstante für ein Segment oder ein Netz (unter Verwendung von Fluiden mit bekannten und/oder einheitlichen Viskositäten) und/oder anderen Strömungseigenschaften verwendet werden. Tatsächlich sind neben dem Bereitstellen eines Werkzeugs zur Beobachtung der tatsächlichen Viskosität zweier oder mehrerer gemischter Fluide (mit wahlweise uneinheitlichen Viskositäten) ferner weitere Messungen möglich. Das Mischen von DMSO und eines Aufnahmepuffers kann eine nicht monotone Viskositätszusammensetzungsbeziehung ergeben. Durch Anlegen verschiedener Druckdifferentialpegel ΔP und Messen der Strömungsgeschwindigkeit Q könnte der Viskometer 150 verwendet werden, um eine Beziehung zwischen der tatsächlichen Viskosität während des Mischens als eine Funktion des Mischens der Länge zu erstellen. Diese Information kann für das Chipdesign für Tests, welche geometrische Verdünnung umfassen, hilfreich sein.
Steht die Temperaturabhängigkeit der Viskosität im Mittelpunkt des Interesses, so können Systeme, beispielsweise Viskometer 150, mit einem Temperatursteuersystem gekoppelt sein, welches einen externen Heizblock umfasst, der in Kontakt mit dem ein Mikrofluidik-Kanalnetz definierenden Körper unter Verwendung von elektrischer Erwärmung ist, um die Temperatur der Fluide im Kanalnetz oder Ähnliches selektiv zu steuern. In einer weiteren Alternative könnten eine dem Viskometer 150 ähnelnde Struktur zum Messen der nicht-newtonschen Viskosität verwendet werden. Nicht-newtonsche Fluide haben Viskositäten, die eine Funktion der Schergeschwindigkeit, die das Fluid erfährt, sind. Ein Beispiel eines nicht-newtonschen Fluids ist eine Polymerlösung, die hochmolukulare Gewichtsmoleküle enthält. Ein Mikrofluidik-Viskometer, welches dem Viskometer 150 von 12 entspricht, könnte eine Kanalgeometrie und/oder eine Kanalnetz-Kreuzungspunktstruktur und/oder eine Strömung haben, die so angeordnet ist, dass die Anwendung eines Druckdifferentials einen Be reich der Scherbelastungen erzeugt, um eine solche nicht-newtonsche Viskosität genau zu messen.
Echtzeitströmungs- und Viskositätsmessungen für Mikrofluidik-Systeme auf Basis transienter Druckimpulsverfahren können weiters unter Bezugnahme auf 13A und 13B ersichtlich werden. Es wird eine Mikrofluidik-Netzstruktur 30 mit einem einzigen Abzweigungskanal zum Koppeln jedes Knoten an einem Hauptkanal 32' verwendet. Jede Abzweigung kann mit einem einzigen Speicher 18 für einen unterschiedlichen Puffer, Probe, Enzym oder Ähnliches verbunden werden. In der einfachsten Ausführungsform enthält der Speicher 18e am Ende des Mikrofluidik-Kanalnetzes eine Farblösung, um ein detektierbares Signal bereitzustellen.
Eine ständige Strömung kann in Richtung des Speichers 18a durch Anlegen von Anfangsdrücken auf die Wells 18 gelenkt werden. Ein kurzer Druckimpuls kann an den Well 18e und/oder einige oder alle der anderen Speicher des Mikrofluidik-Systems können angelegt werden. Dieser Druckimpuls verteilt sich im Wesentlichen umgehend, um die Strömung an einigen oder allen Kreuzungspunkten 34 des Netzes 30 zu verändern. Diese Störung der Strömung an den Knotenpunkten kann das Verdünnungsverhältnis aus einer oder mehreren Seitenabzweigungen verändern. Nach dem Druckimpuls wird die ständige Strömung wieder aufgenommen.
Wie unter Bezugnahme auf 13B ersichtlicht ist, tritt eine Reihe an Zeitsignalen 160a, 160b und 160c jeweils zu den Zeiten T1, T2 bzw. T3 auf. Die Strömungsgeschwindigkeit von einigen oder allen Seitenabzweigungen kann dann aus der Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen den aufeinanderfolgenden Knotenpunkten erhalten werden. Sobald die Strömungsgeschwindigkeiten der Abzweigungen erhalten worden sind, können dann die Widerstände der Abzweigungskanäle, da die Drücke an den Speichern 18 bekannt sind, berechnet werden. Aus der bekannten Kanalgeometrie kann die Viskosität der Lösung in den Seitenabzweigungen ebenfalls bestimmt werden. Diese Information kann dann zurück zum Netzmodell geleitet werden, um die Drücke für eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit aus jedem Speicher abzuleiten.
Unter Bezugnahme auf 14A und 14B zeigt der beispielhafte Zeitreihen-Signalwert, dass die Druckimpulssignale tatsächlich auf die Strömung im Mikrofluidik-System angelegt werden können und genau und wiederholt durch einen Detektor (beispielsweise einen optischen Detektor oder Ähnliches) zum Messen der Strömungseigenschaften abgefühlt werden.
Hydrodynamische, elektrokinetische und andere Fluidtransportmechanismen können auf verschiedene Weisen verwendet werden, um spezialisierte Funktionen in einem Mikrofluidik-System bereitzustellen. Beispielsweise werden Fluidgemische, beispielsweise biologische Fluidproben mit Partikeln und/oder Zellen in Lösungen in einer Flüssigkeit, oft in Mikrofluidik-Systeme eingebracht. Ein besonders vorteilhaftes System und Verfahren zum Einbringen einer großen Anzahl an Proben in ein Mikrofluidik-System ist in den US-Patenten Nr. 5.779.868 und 5.942.443 beschrieben, deren vollständige Offenbarung hierin durch Verweis aufgenommen ist. In diesem System kann ein Vakuum verwendet werden, um eine sequentielle Reihe an Fluidproben aus den Wells einer Multiwellplatte in ein Kapillarrohr zu saugen, das in Fluidkommunikation mit dem Mikrofluidik-System steht.
In dem oben beschriebenen System kann es wünschenswert sein, Fluide an einer im Wesentlichen stationären Position in dem Mikrofluidik-Kanal, beispielsweise im Verlauf der Zeitverzögerung aufrechtzuerhalten, während eine Probe in einem letzten Well einer ersten Multiwellplatte vom Kapillarrohr wegbewegt wird und bevor eine Probe in einem ersten Well einer zweiten Multiwellplatte in Fluidkommunikation mit dem Kapillarrohr ist. Das Aufrechterhalten der Fluide in dem Mikrofluidik-Kanal an einer im Wesentlichen fixen Position kann durch Einführen erheblicher Luftmengen in das Mikrofluidik-System vermieden werden, was dessen Betrieb stören könnte. Im Allgemeinen ist erwünscht, Fluidgemische an einer gegebenen Position in einem Mikrofluidik-Netz aus verschiedensten Gründen zu halten.
Leider ist bei der Arbeit an der vorliegenden Erfindung festgestellt worden, dass die stockende Bewegung einige Fluidgemische in einem Mikrofluidik-Netz erhebliche Nachteile haben kann. Insbesondere zellbasierte Tests, die unter Verwendung eines Fluidgemischs durchgeführt werden, die in einem Fluid schwebende Zellen umfasst, sind für das Anhaften der Zellen an den Kanalwänden empfänglich, wenn die Strömung gänzlich angehalten wird. Auf ähnliche Weise kann sich die Qualität anderer Fluide verschlechtern, wenn die Strömung im Kanal für eine ausreichende Zeitdauer in ausreichendem Maße niedrig ist.
Zur Vermeidung der Qualitätsverschlechterung der Fluidgemische kann die vorliegende Erfindung eine kleine Amplitudenoszillationsbewegung eines Fluidgemischs bereitstellen, um das Fluidgemisch in einem Mikrofluidik-Kanal zu halten. Die Modulatorengruppe 14 ist imstande, einen kleinen Amplitudenoszillationsdruck bereitzustellen, so dass kein signifikantes Einströmen oder Ausströmen von Materialien aus dem Kanal stattfindet. Dieser kleine Amplitudenoszillationsdruck ist vorzugsweise ausreichend, um das Fluidgemisch (und beispielsweise die Zellen in dem Fluid) ständig nach vorne und nach hinten zu bewegen. Die Oszillationsfrequenz sollte hoch genug sein, so dass die momentane Fluidgemischgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, um die Qualitätsverschlechterung des Gemischs zu verhindern, während die Amplitude klein genug sein sollte, so dass keine oder kaum unbeabsichtigte Nettotransportbewegungen in oder aus dem Kanal aus angrenzenden Speichern, Speichern oder sich kreuzenden Kanälen stattfindet. Sobald die gewünschte Verzögerung in der Fluidgemischbewegung bereitgestellt worden ist, ist oft erwünscht, dass ein dazwischenströmendes Fluid, beispielsweise ein Puffer, in dem Kanal strömt, um bei der Sicherstellung zu dienen, dass nicht beabsichtigte Strömungen und/oder Gemische an den Kanalenden gespült worden sind.
Es gilt hierbei anzumerken, dass diese kleine Amplitudenoszillationsbewegung wahlweise unter Verwendung elektrokinetischer Kräfte, beispielsweise durch Bereitstellen eines Wechselstroms, bereitgestellt werden kann, besonders wenn der Wechselstrom für Zellen oder andere Komponenten des Fluidgemischs nicht schädlich ist. Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass sich die Zellen in dem Kanal nicht lysieren, wenn sie einem Wechselstrom ausgesetzt sind, wenn elektrokinetische Kräfte zur Induktion der Oszillationsbewegung verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 15 können die oben beschriebenen Systeme und Verfahren wahlweise eine Reihe an Drucktransienten-Generatoren verwenden, um eine Strömungsstörung zu erzeugen. Eine Mehrfach-Kapillarenanordnung 170 umfasst einen Mikrofluidik-Körper oder -Chip 172, der an einem Polymerschnittstellengehäuse 174 angebracht ist. Eine Vielzahl an Kapillaren 176 enthalten Fluideinbringungskanäle. Wie im Detail im US-Patent Nr. 6.149.787 erläutert, können die Kapillarkanäle zum spontanen Injizieren von Fluiden in das Mikrofluidik-Netz des Chips 172 unter Verwendung der Kapillarkräfte zwischen dem injizierten Fluid und den Kapillarkanälen verwendet werden. Eine solche spontane Injektion reicht aus, um einen Drucktransienten zum Messen der hydrodynamischen und/oder elektrokinetischen Strömung hervorzurufen. Solche Strömungsmessungen ermöglichen die Ableitung von Informationen bezüglich der Eigenschaften des Chips, des Mikrofluidik-Netzes und/oder der Fluide.
Die Verwendung der Mehrfach-Kapillaranordnung 170 ist von Vorteil für parallele Tests unter Verwendung von Testproben und Ahnlichem. Unter Bezugnahme auf 16 kann ein einfacher Chip 178 mit einem relativ geradlinigen Mikrofluidik-Netz verwendet werden, um die Ableitung der Strömungs- und/oder der Chipeigenschaften aus spontaner Injektion zu verstehen. In vielen Ausführungsformen wird das offene Ende der Kapillare 176 in einem Fluid positioniert, üblicherweise durch Einführen des Endes der Kapillare in eine Mikrotiterplatte (oder jeder anderen Strukturen zum Tragen eines oder mehrerer Fluidtestproben). Dies kann durch Bewegen der Kapillare 176 und des Chips 178 relativ zur Mikrotiterplatte, durch Bewegen der Mikrotiterplatte relativ zur Kapillare oder durch Bewegen beider Strukturen relativ zueinander beeinflusst werden. Ungeachtet dessen führt das Positionieren der Kapillare 176 in einem Fluid zur spontanen Einbringung von Fluid in den Kapillarkanal. Durch Anlegen eines konstanten Vakuums auf zumindest einem Well des Mikrofluidik-Systems kann dann eine kontinuierliche Strömung entlang eines Kanals zum Koppeln der Kapillare am Well bereitgestellt werden.
Wenn beispielsweise eine stationäre Strömung aus der Kapillare 176, einem Substratspeicher 180a und/oder einem Enzymspeicher 180b in Richtung eines Vakuum speichers oder eines Abwasserwells 180c entlang eines Kanals 182 hervorgerufen wird, kann eine Strömungsstörung an einem Kreuzungspunkt 186 zwischen dem Kapillarkanal und dem Mikrofluidik-Netz zu jenem Zeitpunkt initiiert werden, an dem die Kapillare aus dem Well, der das eingeführte Fluid enthält, herausgezogen wird. Diese Strömungsstörung kann beispielsweise eine Zusammensetzungsänderung der entlang des Kanals 182 in Richtung des Vakuumspeichers 180c voranschreitenden Strömung umfassen. Diese Zusammensetzungsänderung kann an einer Detektionsposition 184 beispielsweise als eine Änderung der Fluoreszenzintensität abgefühlt werden. Ähnliche Strömungsstörungen könnten durch Anlegen anderer Drucktransienten an Kreuzungspunkten 186, beispielsweise wenn die Kapillare 176 in das spontan injizierte Fluid eingebracht wird, oder durch Anlegen einer Druckänderung unter Verwendung einer Druckmodulationspumpe, wie oben beschrieben, hervorgerufen werden, was die Zusammensetzung der Strömung im Kanal 182 erneut ändert. Durch Überprüfen der Eigenschaft der Zusammensetzung am Detektionspunkt 184 kann ein Voranschreiten der Störungen detektiert werden. Eine Zeitverzögerung zwischen Initiation der Störung und deren jeweilige Detektion am Detektionspunkt, wenn mit einer bekannten Länge des Kanals 182k kombiniert, kann zur Bestimmung einer Geschwindigkeit der Strömung im Kanal verwendet werden. Aus dieser tatsächlichen Echtzeitgeschwindigkeit kann eine Reihe an Informationen in Bezug auf das Fluid und/oder das Netzsystem bestimmt werden.
Unter Bezugnahme auf 16A und 16b wird jedes Mal, wenn eine Kapillare 176 in einen Fluidwell getaucht wird und aus diesem entfernt wird, eine Störung an einem Kapillarenkreuzungspunkt 186 erzeugt, der den Kapillarkanal mit dem Mikrofluidik-Netz koppelt. Außerdem kann, wenn sich die Druckstörung durch das Mikrofluidik-Netz ausbreitet, eine andere Strömungstörung gleichzeitig an einem zweiten Kreuzungspunkt 186a stromabwärts am Teilungskreuzungspunkt 186 initiiert werden. Wenn angenommen wird, dass das Fluid aus den am Mikrofluidik-Netz befestigten Speichern in Richtung eines Vakuumspeichers 180c strömt, wird der durch spontane Injektion an der Kapillare 176 angelegte Drucktransient die an jedem Kreuzungspunkt auftretenden Gemische ändern.
Es werden die Kanallängen benannt, und Δd₁, Δd₂ eine Zeitverzögerung am Detektor 184 zwischen der Initiation des Drucktransienten (bei t = 0) und dem Abfühlen einer ersten Strömungsstörung als ein Signal 188a am Detektor 184 gemessen. Das erste Signal 188a kann als nach einer Zeitverzögerung von Δt₁ aufgetreten seiend angesehen werden, wobei diese Zeitdauer die zum Ausbreiten der Strömung aus dem direkt stromaufwärts vom Detektor 184 liegenden Kreuzungspunkt benötigte Zeitdauer ist. Eine ähnliche Zeitverzögerung Δt₂ wird dann für die Ausbreitung der Strömung vom zweiten stromaufwärts liegenden Kreuzungspunkt (186 in dem einfachen Netz von 16A) benötigt. Sind die Kanallängen zwischen den Kreuzungspunkten bekannt, können verschiedene Zeitverzögerungen zur Bestimmung der verschiedenen Fluidgeschwindigkeiten zwischen den Kreuzungspunkten verwendet werden. Sind die Kanalquerschnitte bekannt, kann diese Information zur Bestimmung der Beiträge aus jedem Abzweigungskanal zum Strömungsvolumen und Ähnlichen verwendet werden, ungeachtet ob die Strömungen durch das Mikrofluidik-System hydrodynamisch, elektrokinetisch, elektroosmotisch oder auf ähnliche Weise hervorgerufen werden.
Unter Bezugnahme auf 16C kann die Kapillare 176 in eine Reihe an Fluiden in einer Folgesequenz eingetaucht und aus diesen entfernt werden. P zeigt den Druck an, S₁ ist ein Signal, welches eine an einem ersten Kreuzungspunkt durch spontane Injektion in die Kapillare verursachte Strömungsstörung anzeigt, und das Signal S₂ zeigt ein Strömungsstörungssignal an, das an einem zweiten Kreuzungspunkt durch die gleiche spontane Injektion an der Kapillare erzeugt wird. Eine Reihe an transienten Drücken 190 wird durch die Kapillare 176 erzeugt, wenn die Kapillare beispielsweise in eine Farbe eingetaucht und aus dieser entfernt wird, gefolgt vom Eintauchen der Kapillare in eine Pufferlösung, gefolgt vom Eintauchen der Kapillare in einen ersten Testsubstanzwell und Ähnliches. Diese Sequenz spontaner Injektionsereignisse an der Kapillare 176 kann zur Erzeugung einer Reihe an S₁-Signalen aufgrund einer Reihe an Strömungstörungen beispielsweise am Kreuzungspunkt 186a führen. Gleichzeitig wird ebenfalls eine Reihe an zweiten Strömungsstörungssignalen S₂ am Kreuzungspunkt 186 mit der Detektion der zweiten Reihe im Anschluss an die erste Reihe durch eine Zeitverzögerung Δt₂ erzeugt, die von der Geschwindigkeit des Fluids in den Netzkanälen abhängt. Das Gesamtsignal S_t, gemessen am Detektor 184, ist eine Kombination aus diesen Signalverschiebungsreihen mit den unmittelbareren S₁-Signalen. Ungeachtet davon können die Strömungen zwischen den Knoten des Mikrofluidik-Systems durch geeignetes Identifizieren der Zeitverzögerungen zwischen den Signalen berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf 16A kann das Positionieren eines Detektors 184a stromabwärts von einer Elektrode v₁ die Messungen der elektrisch induzierten Strömung, beispielsweise elektroosmotischer Strömungen, die durch eine Differentialspannung zwischen V₁ und V₂ hervorgerufen werden, erleichtern. Wie oben beschrieben, werden die Druckstörungen an den Kanalkreuzungen initiiert, so dass ein Anfangssignal am Detektor von der stromabwärtigen Elektrode V₁ erzeugt werden kann, gefolgt von einem anderen Signal, das an der stromaufwärtigen Elektrode V₂ erzeugt werden kann. Durch das Einstellen von Δt₁ als Zeitverzögerung zwischen diesen Elektrodenkreuzungspunkten und von Δt₂ als Zeitverzögerung für ein folgendes Signal, das durch einen Reaktionskanal am Kreuzungspunkt 186 erzeugt wird, und Kenntnis der Längen der Kanäle Δd₁, Δd₂, kann die elektroosmotische EO-Strömung wie folgt berechnet werden:
Ist die Spannung zwischen den Elektroden im AUS-Zustand, können unter alleiniger Verwendung von Druck zum Ansteuern der Fluide im Netz die Geschwindigkeiten entlang des Kanals zwischen den Knoten bestimmt werden, die durch Druck v_1P, v_2P hervorgerufen werden:
Während das gleich Druckdifferential im EIN-Zustand bleibt, kann das Spannungsdifferential dann eingeschaltet werden, was die Berechnung der elektroosmotischen Strömungsgeschwindigkeit wie folgt ermöglicht:
Diese elektroosmotische Geschwindigkeit kann dann zur Berechnung der elektroosmotischen Beweglichkeit unter Verwendung der Gleichung
herangezogen werden, worin E₁ die elektrische Feldstärke zwischen der ersten und zweiten Spannung V₁, V₂ ist. 19 ist eine graphische Darstellung der Daten aus einem Detektor oder Sensor, von dem die oben erläuterten Zeitverzögerungen herangezogen werden.
Die Mehrfach-Kapillaranordnung und die vereinfachten Kapillarnetze von 15, 16 und 16A sind Beispiele von Mikrofluidik-Vorrichtungen, die aus der Überwachung der druckinduzierten Strömungsstörungen zur Analyse und/oder Steuerung der Strömungen, der Qualitätskontrolle und Ähnlichem profitieren könnten. Zusätzliche Beispiele von Mikrofluidik-Strukturen, die aus diesen Verfahren profitieren könnten, sind in den 17A, 17B, 18A und 18B gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 17A und 17B können komplexere Mikrofluidik-Netze eine Vielzahl an Kapillarverbindungspunkten oder -kreuzungspunkten 192 und Substratwells oder -speicher 194, Enzymwells 196, Abflusswells 198 und Ähnliches umfassen. Eines oder mehrere Detektions- oder Sensorfenster oder -positionen 200 können zum Überwachen der Ausbreitung der Strömungsstörungen bereitgestellt werden. Die Mikrofluidik-Anordnung und das Mikrofluidik-Netz von 17A und 17B können für fluoreszierende Mehrfach-Kapillaranordnungen nützlich sein. Eine grundlegende Mehrfachkapillar-Beweglichkeitsverschiebungs-Mikrofluidik-Anordnung und -netz mit ähnlichen Strukturen ist in 18A und 18B gezeigt. Diese Struktur um fasst ebenfalls eine Vielzahl an Elektrodenwells 202 zum Anlegen der Spannungen am Mikrofluidik-Netz, wie oben beschrieben.
Während die beispielhaften Ausführungsformen im Detail und aus Gründen der Klarheit anhand von Beispielen beschrieben worden sind, sind eine Reihe an Modifikationen, Änderungen und Anpassungen für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich. Daher ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt.

Claims

Mikrofluidiksystem, umfassend: einen ein Mikrofluidik-Kanalnetz (30) definierenden Körper und eine Vielzahl Speicher in Fluidkommunikation mit dem Netz und ein Mittel (14, 16) zum selektiven und unabhängigen Ändern von Drücken im Inneren der Speicher, wobei das Druckänderungsmittel in Fluidkommunikation mit den Speichern ist.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1, worin das Kanalnetz einen ersten Mikrofluidikkanal umfasst und worin das Mittel zum selektiven und unabhängigen Ändern von Drücken im Inneren der Speicher eine Vielzahl an Druckmodulatoren umfasst, wobei jeder Druckmodulator einen selektiv änderbaren Druck bereitstellt.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Vielzahl an Druckübertragungslumina, wobei die Lumina die Drücke von den Druckmodulatoren an die Speicher übertragen, um eine gewünschte Strömung innerhalb des ersten Mikrofluidikkanals hervorzurufen.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 3, worin: (a) der erste Mikrofluidikkanal einen Widerstand gegenüber der Kanalströmung aufweist und worin die Lumina die Drücke an die Speicher mithilfe einer Lumenströmung übertragen, wobei der Widerstand der Lumina gegenüber der Lumenströmung signifikant niedriger als der Kanalwiderstand ist oder (b) jeder Druckmodulator in Fluidkommunikation mit einem zugehörigen Speicher über ein zugehöriges Lumen ist und ferner eine Netzströmungs-Steuervorrichtung umfasst, die mit den Druckmodulatoren gekoppelt ist, wobei die Netzströmungs- Steuervorrichtung Signale an die Druckmodulatoren überträgt, wobei die Druckmodulatoren die Drücke als Reaktion auf die Signale unabhängig ändern, um eine Kanalströmung im Inneren des ersten Mikrofluidikkanals hervorzurufen.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 4(b), worin die Netzströmungs-Steuervorrichtung Kanalnetz-Daten umfasst, welche die Kanalströmungen und die aus den Druckmodulatoren stammenden Drücke miteinander korrelieren.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 5, worin (a) die Netzströmungs-Steuervorrichtung die gewünschten Drücke aus den Druckmodulatoren als Reaktion auf die Netzdaten und eine gewünschte Strömung in dem ersten Mikrofluidikkanal berechnet oder (b) das Netz eine Vielzahl an Mikrofluidikkanälen umfasst, die an Kanalkreuzungspunkten in Fluidkommunikation sind, wobei die Kreuzungspunkte und die Speicher Knoten definieren, die durch die Kanalsegmente gekoppelt sind, und worin die Netzdaten die Korrelationen zwischen den Strömungen in den Kanalsegmenten und der Vielzahl an Drücken anzeigen.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 6(b), ferner umfassend einen Netzdatengenerator, der mit der Netzströmungs-Steuervorrichtung gekoppelt ist, wobei der Datengenerator zumindest ein aus der aus einem Netzströmungsmodell, einem mit dem ersten Mikrofluidikkanal gekoppelten Viskometer und einem Netzprüfgerät, das zum Messen zumindest eines die Druck-Strömungs-Korrelation anzeigenden Parameters angepasst ist, bestehenden Gruppe ausgewähltes Element umfasst.
Mikrofluidiksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, ferner umfassend zumindest eine Drucksteuervorrichtung, wobei die Druckmodulatoren die Drücke als Reaktion auf Ansteuersignale von der zumindest einen Drucksteuervorrichtung ändern.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Vielzahl an Drucksensoren, wobei jeder Drucksensor Drucksignale an zumindest eine Drucksteuervorrichtung entlang eines Druckrückkopplungspfads als Reaktion auf die Drücke überträgt, worin die Drucksteuervorrichtungen die Ansteuersignale an die Druckmodulatoren als Reaktion auf die Drucksignale übertragen.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 8, worin (a) die Drucksteuervorrichtungen die Ansteuersignale mit den Drücken korrelierende Kalibrierungsdaten umfassen oder (b) die Druckmodulatoren Pneumatik-Verdrängungspumpen umfassen.
Mikrofluidiksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 10, worin zumindest eine Probenprüfflüssigkeit in dem Kanalnetz angeordnet ist und Druckübertragungsfluid in den Lumina mit einer zwischen diesen angeordneten Fluid-/Fluid-Druckübertragungsschnittstelle angeordnet ist.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 11, worin das Druckübertragungsfluid ein komprimierbares Gas umfasst.
Mikrofluidiksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 12, worin: (a) die Lumina die Druckmodulatoren mit der Kanalströmung nachgiebig koppeln oder (b) die Vielzahl an Druckmodulatoren zumindest vier unabhängig änderbare Druckmodulatoren umfasst oder (c) ein Unterschied zwischen den Drücken signifikant größer als der Kapillardruck von Fluiden im Inneren der Speicher ist.
Mikrofluidiksystem nach einem der Ansprüche 3 bis 12: (a) worin die Vielzahl an Druckmodulatoren zumindest acht unabhängig änderbare Druckmodulatoren umfasst oder (b) das Mikrofluidiksystem ferner eine Druckschnittstellen-Verzweigungsleitung umfasst, die lösbar in den Körper eingreift, wobei die Verzweigungsleitung zwischen den Lumina und den Speichern eine abgedichtete Fluidkommunikation bereitstellt.
Mikrofluidiksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend: eine Vielzahl an Elektroden, die mit dem Mikrofluidik-Kanalnetz gekoppelt ist, und eine elektrokinetische Steuervorrichtung, die mit den Elektroden gekoppelt ist, um die elektrokinetische Bewegung von Fluiden im Netzinneren hervorzurufen.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Netzströmungs-Steuervorrichtung, die mit den Druckmodulatoren gekoppelt ist, wobei die Netzströmungs-Steuervorrichtung Kanalnetzdaten umfasst, die eine im Inneren des ersten Mikrofluidikkanals vorhandene Strömung und die Drücke von den Druckmodulatoren miteinander korreliert, wobei die Netzströmungs-Steuervorrichtung die Drücke von den Druckmodulatoren als Reaktion auf eine gewünschte Strömung im Inneren des ersten Mikrofluidikkanals und auf die Netzdaten unabhängig ändert.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 16, ferner umfassend Mittel zum Erzeugen von Netzdaten, die mit der Netzströmungs-Steuervorrichtung gekoppelt sind.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 17, worin: (a) das Netz eine Vielzahl an Kanälen mit einer Vielzahl an Kreuzungspunkten umfasst, wobei jeder Speicher und jeder Kreuzungspunkt einen Knoten definieren, worin das Netzdaten-Erzeugungsmittel ein Modell der Netzknoten und der die Knoten verbindenden Kanalsegmente umfasst, worin das Modell den Widerstand der Kanalsegmente bestimmt, oder (b) das Netzdaten-Erzeugungsmittel einen elektrischen Widerstandssensor zum Abfühlen des elektrischen Widerstands durch das Netz umfasst.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Netzströmungs-Steuervorrichtung, wobei die Netzströmungs-Steuervorrichtung unabhängige, gewünschte Drucksignale als Reaktion auf eine gewünschte Strömung im inneren des ersten Mikrofluidikkanals erzeugt, worin die Vielzahl an Druckmodulatoren mit der Netzströmungs-Steuervorrichtung gekoppelt ist, wobei jeder Druckmodulator in Fluidkommunikation mit einem zugehörigen Speicher ist, und eine Drucksteuervorrichtung mit Kalibrierungsdaten zum Koppeln der Druckmodulatoren mit der Netzströmungs-Steuervorrichtung, wobei die Drucksteuervorrichtungen Ansteuersignale als Reaktion auf gewünschte Drucksignale von der Netzströmungs-Steuervorrichtung und die Kalibrierungsdaten an die Druckmodulatoren überträgt.
Mikrofluidiksystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen mit dem ersten Mikrofluidikkanal zur Signalübertragung als Reaktion auf die Strömung im Kanalinneren gekoppelten Sensor und eine den Sensor mit den Druckmodulatoren koppelnde Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung Druckbefehle als Reaktion auf die Signale überträgt, um eine gewünschte Strömung bereitzustellen.
Mikrofluidikverfahren, umfassend: Bestimmen von druckinduzierten Strömungseigenschaften eines ersten Mikrofluidikkanals im Inneren eines Mikrofluidiknetzes, Ableiten einer ersten Vielzahl an Drücken aus den Eigenschaften des Mikrofluidiknetzes, um eine erste Strömung im ersten Mikrofluidikkanal bereitzustellen, Hervorrufen der ersten Strömung durch Anlegen der ersten Vielzahl an Drücken an einer Vielzahl an Speichern in Kommunikation mit dem Mikrofluidiknetz.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 21, worin die erste Vielzahl an Drücken an der Vielzahl an Speichern unter Verwendung einer Vielzahl an Druckübertragungssystemen angelegt wird.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend: Ableiten einer zweiten Vielzahl an Drücken aus den Eigenschaften des Mikrofluidiknetzes, um eine zweite Strömung im ersten Mikrofluidikkanal bereitzustellen und Hervorrufen der zweiten Strömung durch Anlegen der zweiten Vielzahl an Drücken mit den Druckübertragungssystemen.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 23, worin: (a) die Druckübertragungssysteme Widerstände gegenüber den Druckübertragungsströmungen aufweisen, die signifikant niedriger als ein Widerstand des Mikrofluidiknetzes gegenüber der druckinduzierten Strömung während der strömungsinduzierenden Schritte sind, oder (b) ein erster Speicher ein erstes Fluid und ein zweiter Speicher ein zweites Fluid aufweist, worin der erste und der zweite Speicher mit dem ersten Mikrofluidikkanal gekoppelt sind, wobei die erste Strömung eine erste Lösung mit Konzentrationen des ersten und des zweiten Fluids umfasst und die zweite Strömung eine zweite Lösung mit zur ersten Lösung verschiedenen Konzentrationen des ersten und des zweiten Fluids umfasst, und worin der Ableitungsschritt durchgeführt wird, um die zweite Strömung mit der zweiten Lösung bereitzustellen.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 24, ferner umfassend das Abfühlen der ersten Strömung im Inneren des ersten Kanals, worin die zweiten Drücke als Reaktion auf die abgefühlte Strömung bestimmt werden.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 25, worin die erste Strömung eine im Wesentlichen gleichbleibende Strömung umfasst, und ferner Folgendes umfasst: Initiieren einer Änderung in der ersten Strömung an einem ersten Kreuzungspunkt des Kanals durch Anlegen eines Druckimpulses und Bestimmen einer Strömungsdauer für die Ausbreitung einer Änderung in der ersten Strömung zum Sensor, wobei die zweiten Drücke unter Verwendung der Strömungsdauer bestimmt werden.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 21, worin das Netz eine Vielzahl an Knoten an den Speichern und an den Kreuzungspunkten der Mikrofluidikkanäle definiert, worin der Bestimmungsschritt das Bestimmen der Strömungswiderstände der Kanäle zwischen den Knoten umfasst.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 21 zur Verwendung mit einem Fluidgemisch, dessen Qualität sich verschlechtern kann, wenn es stationär gehalten wird, worin der Schritt des Hervorrufens der ersten gewünschten Strömung Folgendes umfasst: Einbringen des Fluidgemischs in einen Mikrofluidikkanal eines Mikrofluidiknetzes, Halten des Fluidgemischs durch Oszillieren des Fluidgemischs im Inneren des Kanals und Befördern des gehaltenen Fluidgemischs entlang des Kanals.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 21, worin das Bestimmen von druckinduzierten Strömungseigenschaften eines ersten Mikrofluidikkanals im Inneren eines Mikrofluidiknetzes Folgendes umfasst: Hervorrufen einer Strömung im Inneren des ersten Mikrofluidikkanals, Bestimmen einer ersten gemessenen Strömung und Berechnen eines Drucks aus der ersten gemessenen Strömung.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 29, worin das Bestimmen einer ersten gemessenen Strömung Folgendes umfasst: Erzeugen eines detektierbaren Signals im Strömungsinneren an einer ersten Position und Messen der Zeitdauer, die ein Signal benötigt, um eine zweite Position zu erreichen.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 30, worin das Signal eine Änderung der Strömung in einem Fluid umfasst, wobei die erste Position einen ersten Kreuzungspunkt einer Vielzahl an Mikrofluidikkanälen umfasst.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend: (a) hydrodynamisches Initiieren der Änderung in dem Fluid an der ersten Position durch Anlegen eines Druckimpulses an einem Speicher in Fluidkommunikation mit einem ersten kreuzenden Kanal oder (b) elektrokinetisches Initiieren der Änderung in dem Fluid an der ersten Position durch Ändern eines elektrischen Felds an dem ersten Kreuzungspunkt.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 30, worin das Signal eine Änderung in einer optischen Qualität des Fluids an der ersten Position umfasst.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 33, worin das Fluid einen Farbstoff umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Photobleichung des Farbstoffs an der ersten Position und Abfühlen des photogebleichten Farbstoffs an der zweiten Position.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend das Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit.
Mikrofluidikverfahren nach Anspruch 35: (a) worin die Strömungsgeschwindigkeit durch Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung oder Markierungspartikel-Videographie und/oder (b) ferner umfassend die Berechnung einer Viskosität der Strömung unter Verwendung eines ersten Drucks, der zum Hervorrufen der Strömung und der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird, worin der berechnete Druck unter Verwendung der Viskosität berechnet wird.