WO2008128745A1 - Device and method for the controlled transport of microfluid samples - Google Patents

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WO2008128745A1 PCT/EP2008/003188 EP2008003188W WO2008128745A1 WO 2008128745 A1 WO2008128745 A1 WO 2008128745A1 EP 2008003188 W EP2008003188 W EP 2008003188W WO 2008128745 A1 WO2008128745 A1 WO 2008128745A1
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Abstract

A device for transporting a microfluid sample (110) comprises a substrate (12), a channel (130) formed in the substrate (120), a first electrode (141), a second electrode (142), a sensor (151) and a controller (160). The sensor (151) is located along the channel (130) between the first electrode (141) and the second electrode (142) and is designed to perform a measurement regarding the microfluid sample (110). The controller (160) controls a voltage between the first electrode (141) and the second electrode (142) as a function of a result of the measurement. The first electrode (141) and the second electrode (142) are located at different positions along the channel (130), in such a manner that an electric field can be generated by the voltage between the first and second electrodes (141, 142) along the channel (130) from the first electrode (141) to the second electrode (142).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum geregelten Transport mikrofluidischβr Proben Apparatus and method for controlled transport of microfluidic samples
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport mikrofluidischer Proben und insbesondere auf eine Geschwindigkeits- und Temperaturregelung eines elektrohydrodynamischen Flusses zum Transport von mikrofluidischen Proben beispielsweise auf einem Lab- on-a-Chip.The present invention relates to an apparatus and a method for the transport of microfluidic samples, and in particular to a speed and temperature control of an electrohydrodynamic flow for the transport of microfluidic samples, for example on a lab-on-a-chip.
Biochips spielen heutzutage eine bedeutende wirtschaftliche Rolle und gehören zu den technologischen Errungenschaften der jüngsten Zeit. Das Interesse an Biochips beruht insbesondere auch auf der Möglichkeit einer außergewöhnlichen Interdisziplinarität, beispielsweise zwischen der Mikroelektronik, Mikromechanik, Nanotechnologie und der modernen Biowissenschaften. Eine Klasse der Biochips umfasst die sogenannten Lab-On-A-Chip-Systeme (LOC-Systeme) , die Geräte umfassen, die im Mikromaßstab gefertigt sind und für verschiedene Arten von chemischen und zellulären Analysen geeignet sind. Die LOCs können als Mikrofluidik, die auf ein Netz von Mikrokanälen basiert, oder als Mikroarray, beispielsweise ähnlich einem Mikrotiter lochblech-artigem Format, klassifiziert werden. Eine dritte Art von LOCs benutzt mikromechanische Strukturen als Mikroreaktor für eine chemische Synthese.Biochips play an important economic role today and are among the technological achievements of recent times. The interest in biochips is based in particular on the possibility of an extraordinary interdisciplinarity, for example between microelectronics, micromechanics, nanotechnology and modern life sciences. One class of biochips includes the so-called lab-on-a-chip (LOC) systems, which include microscale devices suitable for various types of chemical and cellular analyzes. The LOCs may be classified as microfluidics based on a network of microchannels, or as a microarray, for example similar to a microtitre perforated plate-like format. A third type of LOCs uses micromechanical structures as a microreactor for chemical synthesis.
Eine treibende Kraft für LOCs war der Bedarf der kombinatorischen Chemie die Medikamentenentwicklung billiger und schneller zu machen, wie es beispielsweise in Frost und Sullivan, "Lab-On-A-Chip: The Revolution in Portable In- strumentation - 4th Edition", 2002, D229 dargestellt ist. Die Miniaturisierung spielt dabei eine herausragende Rolle, wobei als ein erster Schritt ein Mikroarray, auf dem zahlreiche verschiedene Proben gleichzeitig untersucht werden können, verwendet wurde. Damit lässt sich jedoch nur der „Untersuchungsraum" bereitstellen. Die Biologen beschäftigt jedoch unter anderem die Frage, wie verschiedene Moleküle oder Zellen verschoben, getrennt, mit anderen gemischt und die Ergebnisse sichtbar gemacht werden können. Ein Ziel der gesamten allgemeinen LOC-Entwicklung ist somit ein sogenanntes Mikro-Total-Analyse-System (μ-TAS) , das alle Laborfunktionen von der Probenmischung über Reaktionskammer und Transport bis zu einer Detektion des Endproduktes vereint. Eine Antwort auf diese Entwicklung ist die Mikrofluidik.A driving force for LOCs has been the need for combinatorial chemistry to make drug development cheaper and faster, as in Frost and Sullivan, for example. "Lab-on-A-Chip: The Revolution in Portable Instrumentation - 4 th Edition ", 2002, D229, with miniaturization as the first step, using a microarray capable of simultaneously examining a large number of different specimens at the same time " provide. However, the biologists are also concerned with the question of how different molecules or cells can be moved, separated, mixed with others and the results can be visualized. A goal of the entire general LOC development is thus a so-called micro-total-analysis-system (μ-TAS), which combines all laboratory functions from the sample mixture via reaction chamber and transport to a detection of the final product. One answer to this development is microfluidics.
LOCs, die nicht auf Array-Basis arbeiten, prozessieren im allgemeinen Flüssigkeiten, die sich beispielsweise von einem Ort auf dem Analysator (oder Synthetisierer) zu einem anderen Ort leiten. Mikrofluidische Apparate weisen bei- spielsweise Pumpen, Ventile und Kanäle auf und können als Glas- oder Plastikchip ausgestaltet sein. Die Chips können dabei entweder wahlweise oder in Kombination Druck, Elekt- roosmose, Elektrowetting, Elektrophorese oder andere Mittel (Kapillarkraft zum Beispiel) nutzen, um Proben durch ein Netz von mikroskopischen Kanälen und Behältern zu bewegen. Bisher ist jedoch der Integrationsgrad noch nicht allzu hoch und es besteht ein dringender Bedarf, diesen weiter zu verbessern.Non-array-based LOCs generally process liquids that, for example, flow from one location on the analyzer (or synthesizer) to another location. Microfluidic devices have, for example, pumps, valves and channels and can be designed as a glass or plastic chip. The chips may use either elective or combination pressure, electrorosmosis, electrowetting, electrophoresis, or other means (capillary force, for example) to move samples through a network of microscopic channels and containers. So far, however, the degree of integration is not yet very high and there is an urgent need to further improve this.
Ein Hauptproblem bleibt nach wie vor der Flüssigkeitstransport auf dem Chip. Die heute verfügbaren Systeme mit mikromechanischen Pumpen werden schnell unübersichtlich, beispielsweise in Folge einer Vielzahl von Schläuchen und Ven- tilen, sind meist sehr anfällig für Leckagen und ihre Herstellung ist in der Regel sehr aufwendig. Einfacher wären sogenannte dynamische Mikropumpen, bei denen eine direkte Energieumwandlung in Flüssigkeitsbewegung erfolgt. Hierzu gehören beispielsweise elektrohydrodynamische oder magnetohydrodynamische Pumpen, die einfach herstellbar, in ihren Eigenschaften jedoch abhängig von den zu befördernden Flüssigkeiten sind. Erfolge wurden in letzter Zeit mit elektro- osmotischen Pumpen erzielt. Sie basieren auf der Elektroos- mose, die ein makroskopisches Phänomen ist, welches von einer elektrischen Doppelschicht herrührt und durch Ionen in der Flüssigkeit und durch elektrische Oberflächenladungen in den Kapillarwänden verursacht wird. Wenn ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden angelegt wird, strömt die Flüssigkeit von der einen zur anderen Elektrode, wobei die Kationen zur Kathode wandern und dabei die Flüssigkeit mit sich bewegen (oder mit sich reißen) .A major problem remains liquid transport on the chip. The micromechanical pump systems available today quickly become confusing, for example due to a large number of hoses and valves. Tilen, are usually very susceptible to leaks and their production is usually very expensive. Simpler would be so-called dynamic micropumps, in which a direct energy conversion takes place in liquid movement. These include, for example, electrohydrodynamic or magnetohydrodynamic pumps that are easy to manufacture, but in their properties are dependent on the liquids to be transported. Successes have recently been achieved with electro-osmotic pumps. They are based on electroosmosis, which is a macroscopic phenomenon that results from an electric double layer caused by ions in the liquid and by surface electric charges in the capillary walls. When an electric field is applied between two electrodes, the liquid flows from one electrode to the other, with the cations moving to the cathode, moving (or tearing) the liquid with it.
Probleme existierender elektroosmotischer Systeme sind nun einerseits die Kontrolle des Flusses, der von einer Vielzahl von Parametern abhängig ist, als auch die Kontrolle der Temperatur, die wiederum von dem angelegten Feld und damit vom Fluss abhängig ist. Unter ungünstigen Umständen kann dabei die Probenflüssigkeit, die beispielsweise nur Mikro- oder Pikoliter umfasst, entweder erheblich verdunsten oder gar ganz verdampfen.Problems of existing electroosmotic systems are on the one hand the control of the flow, which depends on a multitude of parameters, as well as the control of the temperature, which in turn depends on the applied field and thus on the flow. Under unfavorable circumstances, the sample liquid, which comprises, for example, only micro- or picoliters, can either evaporate considerably or even evaporate completely.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in heutigen mikrofluidischen Systemen zur Beförderung von Flüssigkeiten in Mikrokanälen Dosierpumpen oder mikromechanisch hergestellte Mikropumpen verwendet werden. Mikropumpen sind insbesondere dahingehend attraktiv, da sie der Miniaturisierung und dem hohen Grad der Systemintegrierung entgegenkom- men. Typischerweise besitzen jedoch mechanische Mikropumpen Ventile und eine oder mehrere Membranen, die piezoelektrisch, elektrisch oder thermopneumatisch angetrieben werden. Solche Mikropumpen sind bekannt, sind allerdings hin- sichtlich der hohen Kosten und Zuverlässigkeitsproblemen nachteilig. Nicht-mechanische Mikropumpen werden andererseits beispielsweise in Daniel J. Laser: „Desing, Fabrica- tion, and Application and Silicon Electroosmotic Micropumps", Dissertation, Stanford University, June 2005 unter- sucht.In summary, in today's microfluidic systems for conveying liquids in microchannels, metering pumps or micromechanically produced micropumps are used. Micropumps are particularly attractive because they counteract miniaturization and the high degree of system integration. men. Typically, however, mechanical micropumps have valves and one or more diaphragms driven piezoelectrically, electrically or thermopneumatically. Such micropumps are known, but are disadvantageous in terms of high cost and reliability issues. On the other hand, non-mechanical micropumps are being studied in, for example, Daniel J. Lasers: "Desing, Fabrica- tion, and Application and Silicon Electroosmotic Micropumps," Dissertation, Stanford University, June 2005.
Elektroosmotische Pumpen oder Elektrowetting sind von besonderem Interesse, da sie auf alle Flüssigkeiten, die Ionen oder polarisierbare Moleküle aufweisen, angewendet wer- den können. Bekannte Untersuchungen beschränken sich wei- testgehend auf die Realisierung von Mikropumpen und Aspekte, wie beispielsweise die Flussüberwachung oder die Steuerungen, bleiben ebenso wie Fragestellungen bezüglich einer Systemintegration weitestgehend unberücksichtigt. Für eine Realisierung von LOC-Systemen sind Antworten auf diese Fragestellungen jedoch unerlässlich. Bekannte Analysegeräte nutzen die Elektrophorese für eine Trennung von Teilchen oder Partikeln und die Elektroosmose tritt dabei nur als eine Nebenerscheinung auf. Phänomene der Elektroosmose und ihre Anwendungsmöglichkeiten innerhalb eines LOC werden wirtschaftlich gegenwärtig kaum genutzt. Veröffentlichungen finden sich unter anderem in: Todd M. Squires, Martin Z. Bazant: "Induced-charge electro-osmosis"; Journal of Fluid Mechanics, 2004, vol. 509, pp. 217 - 252); Gonzalez, A. Ramos, A. Castellanos, "Pumping of Liquids Using Travelling Wave Electro-Osmosis: A Nonlinear Analysis," Proc. 2005 IEEE International Conference on Dielectric Liquids, pp. 221 - 224; Martin Z. Bazant, Todd M. Squires, "Induced- Charge Electrokinetic Phenomena: Theory and Microfluidic Applications"; Physical Review Letters, volume 92, number 6, 2004; Jie Wu, "Biased AC Electro-Osmosis for On-Chip Bioparticle Processing", IEEE Transactions on Nanotechnol- ogy, vo. 5, no. 2, Maren 2006; D. J. Laser, J. G. Santiago, „A review of micropumps"; Journal of Micromechanics and Microengineering, VoI 14, 2004, R35 - R64; Peter Woias, "Mi- cropumps - past, progress and future prospects", Sensors and Actuators B 105, 2005, pp. 28 - 38; Frost und Sullivan: „Lab on a Chip - Advances on Microfluidics"; 2004, D323 und die oben genannte Referenz von D. J. Laser. Weitere Details zum Elektrowetting sind in: Frieder Mugele, Jean-Christophe Baret, "Electrowetting: from basics to application", Journal of Physics: Condensed Matter 17 (2005) R705 - R774 veröffentlicht .Electro-osmotic pumps or electrowetting are of particular interest because they can be applied to all liquids that have ions or polarizable molecules. Known examinations are limited as far as possible to the realization of micropumps, and aspects such as flow monitoring or control systems, as well as issues relating to system integration, remain largely unconsidered. However, answers to these questions are essential for the realization of LOC systems. Known analyzers use electrophoresis to separate particles or particles, and electroosmosis occurs only as a by-product. Electro-osmosis phenomena and their applications within an LOC are currently hardly used economically. Publications can be found in: Todd M. Squires, Martin Z. Bazant: "Induced-charge electro-osmosis"; Journal of Fluid Mechanics, 2004, vol. 509, pp. 217 - 252); Gonzalez, A. Ramos, A. Castellanos, "Pumping Liquids Using Traveling Wave Electro-Osmosis: A Nonlinear Analysis," Proc. 2005 IEEE International Conference on Dielectric Liquids, pp. 221 - 224; Martin Z. Bazant, Todd M. Squires, "Induced Charge Electrokinetic Phenomena: Theory and Microfluidic Applications"; Physical Review Letters, volume 92, number 6, 2004; Jie Wu, "Biased AC Electro-Osmosis for On-Chip Bioparticle Processing, IEEE Transactions on Nanotechnolgy, vo 5, no.2, Maren 2006; DJ Laser, JG Santiago, "A review of micropumps"; Journal of Micromechanics and Microengineering, VoI 14, 2004, R35 - R64; Peter Woias, "Mi- cropumps - past, progress and future prospects", Sensors and Actuators B 105, 2005, pp 28-38; Frost and Sullivan: "Lab on a Chip - Advances on Microfluidics"; 2004, D323 and the above-mentioned reference by DJ Laser Further details on electrowetting can be found in: Frieder Mugele, Jean-Christophe Baret, "Electrowetting: from basics to application" , Journal of Physics: Condensed Matter 17 (2005) R705 - R774.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen- den Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport mikrofluider Proben zu schaffen, die insbesondere einen geschwindigkeits- und temperaturgeregelten elektrohydrodynamischen Fluss erlaubt.Based on this prior art, the present invention has the object to provide a device and a method for transporting microfluidic samples, which in particular allows a speed and temperature-controlled electrohydrodynamic flow.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 in ein Verfahren gemäß Anspruch 28 oder Anspruch 29 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 in a method according to claim 28 or claim 29.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Vorrichtung zum geregelten Transport von mikrofluiden Proben mittels elektrohydrodynamischen Flusses, wie z.B. mittels elektroosmotischen Flusses (EOF), dadurch geschaffen werden kann, dass innerhalb eines Substrats mindestens eine Kapillare oder ein Kanal ausgebildet wird, die an unterschiedlichen Positionen eine erste und zweite Elektrode aufweisen. Die erste und zweite Elektrode als auch die Kapillare sind dabei derart ausgebildet, dass bei Anliegen einer Spannung an der ersten und zweiten E- lektrode sich ein elektrisches Feld entlang der Kapillare ausbildet, so dass die mikrofluide Probe sich von der Posi- tion der ersten Elektrode zur Position der zweiten Elektrode bewegt.The core idea of the present invention is that a device for the controlled transport of microfluidic samples by means of electrohydrodynamic flow, such as by means of electro-osmotic flow (EOF), can be created by forming at least one capillary or channel within a substrate Different positions have a first and second electrode. The first and second electrodes as well as the capillaries are designed such that when a voltage is applied to the first and second electrodes, an electric field is formed along the capillary, so that the microfluidic sample differs from the positive electrode. tion of the first electrode moves to the position of the second electrode.
Ferner weist die Vorrichtung mindestens einen Sensor auf, der eine Bewegung der mikrofluidischen Probe erfasst und somit eine Kontrolle des Transports oder der Ausdehnung der mikrofluidischen Probe erlaubt. Der Sensor kann beispielsweise ein Photosensor sein, der beispielsweise eine Zeiterfassung ermöglicht, bei der die mikrofluidische Probe den Photosensor passiert. Mittels weiterer Photosensoren kann somit auch eine Geschwindigkeitserfassung der mikrofluidi- sche Proben durch die Kapillare erfolgen beziehungsweise durch eine Detektion eines Anfangs und eines Endes einer mikrofluidische Probe, eine Volumenbestimmung der mikroflu- idischen Probe vorgenommen werden kann (da ein Durchmesser der Kapillare bekannt ist) . Es ist ebenfalls möglich, dass die Photosensoren Teil einer Photozeile sind bzw. mehrere Photozeilen für die Bewegungserfassung genutzt werden.Furthermore, the device has at least one sensor, which detects a movement of the microfluidic sample and thus allows a control of the transport or the expansion of the microfluidic sample. By way of example, the sensor can be a photosensor which, for example, enables time recording in which the microfluidic sample passes the photosensor. By means of further photosensors, a speed detection of the microfluidic samples can thus also take place through the capillary or a determination of the volume of the microfluidic sample can be made by detecting a start and an end of a microfluidic sample (since a diameter of the capillary is known). It is also possible that the photosensors are part of a photo line or multiple photo lines are used for motion detection.
Ferner kann bei weiteren Ausführungsbeispielen die Vorrichtung einen Temperatursensor aufweisen, der eine Temperaturerfassung der mikrofluidische Proben erlaubt. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zum Transport einen Biosensor aufweisen, der beispielsweise eine Untersuchung von Inhalts- Stoffen oder bio-chemischen Eigenschaften der mikrofluidi- schen Probe erlaubt.Further, in other embodiments, the device may include a temperature sensor that allows temperature sensing of the microfluidic samples. In addition, the device for transport can have a biosensor which, for example, allows an examination of contents substances or bio-chemical properties of the microfluidic sample.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Kapillare mäan- derförmig angeordnet und weist zusätzliche Elektroden auf, so dass eine oder auch mehrere mikrofluidische Proben sich entlang der mäanderförmigen Struktur bewegen können. Das Substrat kann beispielsweise Glas aufweisen oder ein anderes transparentes Medium und kann mit einer Schaltung, Steuerung, Regelung bzw. Regeleinrichtung verbunden sein, die sich beispielsweise auf einem Untergrundsubstrat (z.B. ein Halbleitersubstrat mit einer CMOS-Struktur) , auf welches das Substrat angeordnet ist, befinden. Auf diese Art und Weise können mehrere Kanäle auf einem Chip mit ein paar Elektroden leicht kontrolliert werden, so dass viele mechanische Teile entfallen, wie sie beispielsweise bei den oben beschriebenen elektromechanischen Pumpen erforderlich wären.In further embodiments, the capillary is arranged in a meandering manner and has additional electrodes, so that one or more microfluidic samples can move along the meandering structure. The substrate may, for example, comprise glass or another transparent medium and may be provided with a circuit, Control, regulation or regulating device may be connected, for example, on a substrate substrate (eg, a semiconductor substrate with a CMOS structure), on which the substrate is disposed. In this way, multiple channels on a chip with a few electrodes can be easily controlled, eliminating many mechanical parts, such as would be required in the electromechanical pumps described above.
Durch eine variable Spannungsregelung der verschiedenen E- lektroden ist es ferner möglich, die Geschwindigkeit der mikrofluidischen Proben zu beeinflussen beziehungsweise, sofern mehrere Elektroden vorhanden sind, verschiedene mikrofluidische Proben separat zu beeinflussen. Beispielsweise kann eine Geschwindigkeit einer einzelnen (mikroflui- dische) Probe in einer Serie von mikrofluidischen Proben in ihrer Geschwindigkeit geregelt werden, so dass sich ein Mindestabstand zwischen zwei aufeinander folgenden mikrofluidischen Proben herausbildet. Die Kapillare kann an ihren Wänden eine Beschichtung aufweisen, beispielsweise aus einem hydrophilischen Materialien (Polymere) oder auch eine kovalente Beschichtung aufweisen. Ein Thermoelement kann ferner zu einer Anpassung der Temperatur genutzt wer- den und darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, durch Zugabe von Netzmittel oder organischen Modifizierern die Geschwindigkeit der mikrofluidischen Proben zu beeinflussen.By means of a variable voltage regulation of the different electrodes, it is also possible to influence the speed of the microfluidic samples or, if several electrodes are present, to influence different microfluidic samples separately. For example, a speed of a single (microfluidic) sample in a series of microfluidic samples can be regulated in their speed so that a minimum distance between two successive microfluidic samples is formed. The capillary may have on its walls a coating, for example of a hydrophilic materials (polymers) or also have a covalent coating. A thermocouple can also be used to adjust the temperature and, moreover, it can be advantageous to influence the speed of the microfluidic samples by adding wetting agents or organic modifiers.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Elektrohydrodynamik und unterscheidet sich von bisher kommerziell eingesetzten Systemen, die auf Elektrophorese basieren und bei denen die Elektroosmose nur als eine Begleiterscheinung auftrat. Es ist jedoch möglich, die Kanalgeometrie derart zu wählen, dass die Elektroosmose einen sehr effektiven Transportme- chanismus bietet. So kann die Geometrie der Kanäle/Kapillare derart ausgelegt werden, dass die Osmose (oder Elektroosmose) effektiv unterstützt wird und die E- lektrophorese nur nebensächlich wirkt. Damit ist der Weg frei für einen Stofftransport, der ohne mechanische Teile auskommt .The present invention utilizes electrohydrodynamics and differs from heretofore commercially used systems based on electrophoresis in which electroosmosis occurred only as a concomitant phenomenon. However, it is possible to choose the channel geometry such that the electro-osmosis provides a very effective transport mechanism. offers. Thus, the geometry of the channels / capillary can be designed in such a way that the osmosis (or electroosmosis) is effectively supported and the electrophoresis has only a secondary effect. This clears the way for mass transfer without mechanical parts.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung sind neben dem elektroosmotischen Fluss auch Elektrowetting als trei- bende elektrohydrodynamische Kraft vorgesehen. Für das E- lektrowetting sind keine Kapillare, stattdessen können strukturierte und funktionalisierte Oberflächen genutzt werden. Prinzipbedingt können dazu mehrere Elektroden genutzt werden - zum Beispiel zusätzliche Elektroden „von o- ben". Die Anzahl der Elektroden und die Anordnung kann dabei entsprechend den Erfordernissen oder Wünschen gewählt werden. Die Regelung der Elektroden kann nach dem gleichen Prinzip, wie bei dem EOF funktionieren, d.h. auch hier kann der elektrohydrodynamische Fluss geregelt werden. Zusätz- lieh können in diesem Ausführungsbeispiel noch Elektroden für eine Oberflächenfunktionalisierung vorgesehen sein, wodurch sich beispielsweise Oberflächeneigenschaften (Benetzung, Oberflächenhaftung, Reibung, etc.) durch Potentialdifferenzen zwischen Elektrodenpärchen gegebenenfalls ver- ändern und zu Regelungszwecken einsetzen lassen.In further embodiments of the invention, electrowetting as a driving electrohydrodynamic force are provided in addition to the electroosmotic flow. For electrowetting, there are no capillaries; instead structured and functionalized surfaces can be used. Depending on the principle, several electrodes can be used for this purpose - for example, additional electrodes "from above." The number of electrodes and the arrangement can be selected according to the requirements or wishes.The regulation of the electrodes can be based on the same principle as with the EOF In addition, electrodes for surface functionalization may be provided in this exemplary embodiment, as a result of which, for example, surface properties (wetting, surface adhesion, friction, etc.) may be changed by potential differences between electrode pairs and for regulatory purposes.
Anders als bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann hier von dem mäanderförmiger Weg für die Probensamples abgesehen werden, sondern eine Art Entscheidungsbaum, der über die Messergebnisse aus den Biosensoren und damit über die Regelung bedient wird. Somit kann der Weg oder Pfad einer Probe, in Abhängigkeit des Messergebnisses an einem der Biosensoren gewählt werden und ist nicht vorbestimmt. Das hat den Vorteil, dass beispielsweise eine optimierte Anzahl von Messungen für eine bestimmte Probe durchgeführt werden und nicht erforderliche Messungen vermieden werden können. Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, bil- den die Photosensoren die Grundlage der Geschwindigkeitsregelung. Auch die Temperaturregelung kann in gleicher Art erfolgen.Unlike in the embodiment described above, the meandering path for the sample samples can be dispensed with here, but instead a kind of decision tree which is operated via the measurement results from the biosensors and thus via the control. Thus, the path or path of a sample can be chosen as a function of the measurement result on one of the biosensors and is not predetermined. This has the advantage that, for example, an optimized number of measurements can be carried out for a particular sample, and unnecessary measurements can be avoided. As in the embodiments described above, the photosensors are the basis of cruise control. The temperature control can be done in the same way.
Ein prinzipieller Aufbau eines Analysesystems mit einer Mikrofluidik und einem elektroosmotischen Fluss (EOF) weist beispielsweise einen Glaschip mit den Kanälen/Kapillaren und Elektroden auf und kann beispielsweise auf einem Siliziumchip befestigt sein. Der Siliziumchip kann die Senso- rik, Aktorik und eine übrige Elektronik aufweisen, wobei beide Chips (der Glaschip und der Siliziumchip) eine Sandwichstruktur bilden können.A basic structure of an analysis system with a microfluidic and an electro-osmotic flow (EOF) has, for example, a glass chip with the channels / capillaries and electrodes and can for example be mounted on a silicon chip. The silicon chip may comprise the sensor, actuators and other electronics, with both chips (the glass chip and the silicon chip) being able to form a sandwich structure.
Die Kapillare, die in dem beispielhaften Glaschip eingear- beitet sind, dienen dem Transport der Probenflüssigkeiten mittels der Elektroosmose. Treibende Kraft sind Elektrodenpaare, über deren Spannungsabfall die Fluidik angetrieben wird. Die Elektroden können wahlweise und getrennt angesteuert werden, wobei die Ansteuerung durch eine Elektro- nik, die z.B. auf dem darunter liegenden beispielhaften Siliziumchip integriert sein kann, erfolgt. Dazu können beispielsweise Durchkontaktierungen vorgenommen werden und der Siliziumchip kann beispielsweise die komplette Elektronik aufweisen, wobei es vorteilhaft ist, die Blöcke und insbe- sondere die Sensorik und Aktorik derart zu platzieren, dass sie mit der Lage der Kapillare abgestimmt sind.The capillaries, which are incorporated in the exemplary glass chip, serve to transport the sample liquids by means of electroosmosis. The driving force are electrode pairs whose voltage drop drives the fluidics. The electrodes can be selectively and separately controlled, the drive being controlled by an electronic, e.g. on the underlying exemplary silicon chip may be integrated takes place. For this purpose, for example, plated-through holes can be made, and the silicon chip can have, for example, the complete electronics, wherein it is advantageous to place the blocks and in particular the sensors and actuators in such a way that they are matched with the position of the capillary.
Zu der Elektronik können dabei insbesondere folgende Bestandteile zählen:In particular, the following components may be included in the electronics:
1. Der Teil der Sensorik, der für die Geschwindigkeitsund Temperaturregelung verantwortlich ist und die Photosensoren und Temperatursensoren aufweisen kann.1. The part of the sensor which is responsible for the speed and temperature control and which may have photosensors and temperature sensors.
2. Eine Sensorsignalverarbeitung (vorzugsweise rauschar- m) für eine Signalaufbereitung der Photo- und Temperatursensoren. 3. Die Aktorik, die beispielsweise durch Elektrodenpaare und einen Temperaturregler gebildet sein kann und zur Regelung des gesamten Systems dient.2. Sensor signal processing (preferably noise-reduced) for signal conditioning of the photo and temperature sensors. 3. The Aktorik, which may be formed for example by pairs of electrodes and a temperature controller and is used to control the entire system.
4. Eine Benutzerschnittstelle, die eine Programmierung von Sollvorgaben für eine Regelung zulassen und die ferner eine mögliche Display-Ansteuerung zur Visualisierung von Daten bereitstellen kann.4. A user interface that allows programming of setpoints for a control and that can further provide a potential display driver for visualizing data.
5. Einen analogen Schaltungsteil, der Referenzen zur5. An analog circuit part that references to
Verfügung stellt, Signale digitalisiert und die Aktorik ansteuert.Provides available, digitized signals and controls the actuators.
6. Einen Mikrocontroller, der den gesamten Ablauf steuert.6. A microcontroller that controls the entire process.
7. Der eigentliche Nutzteil für eine Bioanalyse der Probe mit Sensorik, Sensorsignalverarbeitung, etc.7. The actual useful part for a bioanalysis of the sample with sensors, sensor signal processing, etc.
Darüber hinaus können, sofern es für die konkrete Anwendung wünschenswert ist, weitere Elemente in die Elektronik integriert werden.In addition, if it is desirable for the specific application, further elements can be integrated into the electronics.
Das bisher beschriebene grundlegende System kann zwei Regelkreise aufweisen:The basic system described so far can have two control loops:
a) eine Geschwindigkeitsregung und b) eine Temperaturregelung.a) a speed excitation and b) a temperature control.
Die Geschwindigkeitsregelung kann wie folgt vorgenommen werden. Die Geschwindigkeit v des elektroosmotischen Flusses entspricht:The speed control can be done as follows. The velocity v of the electroosmotic flow corresponds to:
v = μE0F • E = ?—$ • E , (1) η wobei ε die dielektrische Konstante, ζ das Zeta-Potential und η die Viskosität und E die elektrische Feldstärke, die sich bei angelegter Spannung an den Elektroden entlang der Kapillare herausbildet, darstellt. Somit kann über die Amplitude des elektrischen Feldes die Geschwindigkeit des e- lektroosmotischen Flusses einfach gesteuert werden und die Erfassung der Geschwindigkeit kann mit Hilfe der Photosensoren erfolgen. Die Photosensoren, die beispielsweise un- terhalb der beispielhaften transparenten Glaskapillaren platziert sind, können im jedem Kanal oder auch in jedem Kanalabschnitt die Geschwindigkeit der einzelnen Probensam- ples bestimmen. Dabei können pro Messabschnitt mindestens zwei Photosensoren platziert werden und die Geschwindigkeit kann mit Hilfe einer Bildverarbeitungselektronik (z.B. unter Nutzung der CMOS-Technologie) aus einer Differenzrechnung bestimmt werden - beispielsweise aus einer Zeitdifferenz, die ein Probensample zum Überwinden der Strecke zwischen zwei Photosensoren benötigt. Die zwei Photosensoren können auch Bestandteil einer Photosensorzeile sein. Anschließend kann ein Vergleich zwischen somit erhaltenen Ist-Werten und von dem Benutzer eingestellten Soll-Werten erfolgen. Mit der Vorgabe der Soll-Werte kann der Benutzer zum Beispiel auf unzureichende Ergebnisse aus der Bioanaly- se der Nutzsensoren (Biosensoren) reagieren. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe zu schnell den oder die Biosensoren passiert, so dass die Analyse nicht in der erforderlichen Qualität erfolgen kann. Andererseits kann aber auch der Durchsatz erhöht werden und somit eine mög- liehst effiziente Nutzung der Anlage erreicht werden. Falls mehrere Samples durch den Kanal fließen, oder mehrere Kanäle auf dem Glaschip sind, die sich u.U. auch kreuzen können, kann ebenfalls regulierend und koordinierend über die Ansteuerung der jeweiligen Elektrodenpaare eingegriffen werden.v = μ E0F • E =? - $ • E, (1) η where ε is the dielectric constant, ζ is the zeta potential and η is the viscosity and E is the electric field strength that forms when voltage is applied to the electrodes along the capillary. Thus, the amplitude of the electric field can easily control the speed of the e-osmotic flow, and the speed can be detected by means of the photosensors. The photosensors, which are placed below the exemplary transparent glass capillaries, for example, can determine the speed of the individual sample sam- ples in each channel or also in each channel section. In this case, at least two photosensors can be placed per measuring section and the speed can be determined with the aid of image processing electronics (eg using CMOS technology) from a differential calculation - for example from a time difference, which requires a sample sample to overcome the distance between two photosensors. The two photosensors can also be part of a photosensor line. Subsequently, a comparison can be made between actual values thus obtained and setpoint values set by the user. By specifying the target values, the user can, for example, react to insufficient results from the bioanalysis of the useful sensors (biosensors). This is the case, for example, if the sample passes too fast or the biosensors so that the analysis can not be done in the required quality. On the other hand, however, the throughput can be increased and thus the most efficient use of the plant can be achieved. If several samples flow through the channel, or several channels are on the glass chip, which may also intersect, can also intervene regulating and coordinating on the control of the respective pairs of electrodes.
Nach dem Soll-Ist-Vergleich werden die Regelgrößen festgelegt und beispielsweise über einen DAC (Digital-Analog- Konverter) der Aktorik und somit der Elektrodenansteuerung zugeführt. Hierbei wird, zum Beispiel über die Amplitude, das elektrische Feld und damit die Geschwindigkeit des e- lektroosmotischen Flusses für jeden Mikrokanal (Abschnitt) eingestellt.After the target / actual comparison, the controlled variables are determined and, for example, via a DAC (digital-analogue Converter) of the actuator and thus the electrode drive. In this case, for example, via the amplitude, the electric field and thus the speed of the e-lektroosmotic flow for each micro-channel (section) is set.
Ein zweiter Regelkreis umfasst eine Temperaturregelung, die insbesondere aus zwei Gründen wünschenswert ist. Der wichtigste Grund ergibt sich aus einer Verdunstungs- oder Ver- dampfungsgefahr der Probensamples, die insbesondere deswegen gegeben ist, da deren Volumen nur Mikrolitern beziehungsweise Pikolitern betragen kann, die zwischen zwei E- lektroden mit relativ hoher Spannung gezogen werden. Ein anderer Grund für eine Temperaturregelung ergibt sich aus dem Einfluss der Temperatur auf die Viskosität der Probe und damit direkt auf die Geschwindigkeit des elektroosmoti- schen Flusses. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur ist dabei durch die folgende Gleichung ausgedrückt.A second control circuit comprises a temperature control, which is desirable in particular for two reasons. The most important reason results from a risk of evaporation or evaporation of the sample samples, which is particularly given because their volume can only be microliters or picoliters that are drawn between two electrodes with a relatively high voltage. Another reason for a temperature control results from the influence of the temperature on the viscosity of the sample and thus directly on the speed of the electro-osmotic flow. The dependence of the viscosity on the temperature is expressed by the following equation.
η = H0 eRT , (2)η = H 0 e RT , (2)
wobei EA eine Aktivierungsenergie, R die allgemeine Gaskonstante und T die absolute Temperatur darstellt. Darüber hinaus ist ebenfalls das Zeta-Potential von der Temperatur abhängig, allerdings nicht in dem Maße wie die Viskosität, die exponentiell von der Temperatur abhängt, stattdessen zeigt das Zeta-Potential ein potenzartiges Abhängigkeitsverhältnis :
Figure imgf000014_0001
where E A is an activation energy, R is the general gas constant and T is the absolute temperature. In addition, the zeta potential also depends on the temperature, but not as much as the viscosity, which depends exponentially on the temperature; instead, the zeta potential shows a potential dependence ratio:
Figure imgf000014_0001
Somit ist ebenfalls durch das Zeta-Potential eine Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Temperatur gegeben.Thus, also by the zeta potential, a dependence of the speed of the temperature is given.
Ein Lösungsweg für die Temperaturregelung kann wie folgt beschrieben werden. Pro Kanal/Kapillare oder Kanalabschnitt wird ein Temperatursensor oder die transparente Kapillare, beispielsweise auf dem Siliziumchip platziert. Damit kann die Temperatur direkt gemessen werden. Da jedoch die Sicherheit über die tatsächliche absolute Temperatur relativ klein sein kann, lässt sich über die zuvor für die Geschwindigkeit genutzten Photosensoren aus einer Messung der Abnahme der geometrischen Probenausdehnung ein Maß für die Verdunstung ableiten. Da die Probensamples verhältnismäßig langsam durch die Kapillare ziehen, kann ihre Ausdehnung genügend genau erfasst werden. Wenn sich die Ausdehnung verkleinert, bedeutet dies mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Verlust an Flüssigkeit durch Verdunsten. Wenn sich die Flüssigkeitsprobe (Probensample) durch eine Temperaturabsenkung (oder auch einer Temperaturerhöhung) in ihrer Längsausdehnung gemäß ihrem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten p ändert, kann dies direkt durch die Tempera- turmessung nachgewiesen und andere Gründe ausgeschlossen werden. Somit kann auf Verdunstungsgefahr direkt über die Temperaturregelung reagiert werden. Ähnlich wie bei der Geschwindigkeitsregelung kann der Benutzer auch hier wieder eingreifen und Soll-Werte vorgeben, um beispielsweise bei einem Verletzen solcher Soll-Werte eine TemperaturänderungAn approach to temperature control can be described as follows. Per channel / capillary or channel section, a temperature sensor or the transparent capillary, for example, placed on the silicon chip. So that can the temperature can be measured directly. However, since the safety over the actual absolute temperature can be relatively small, a measure of the evaporation can be derived from the measurement of the decrease in the geometric sample expansion via the photosensors previously used for the speed. Since the sample samples pull relatively slowly through the capillary, their extent can be detected with sufficient accuracy. As the expansion shrinks, it is highly likely to cause liquid loss through evaporation. If the liquid sample (sample sample) changes in its longitudinal extent as a result of a temperature decrease (or a temperature increase) according to its thermal expansion coefficient p, this can be detected directly by the temperature measurement and other reasons can be ruled out. Thus, it is possible to react to the risk of evaporation directly via the temperature control. Similar to the speed control, the user can again intervene here and specify desired values, for example, a temperature change if such desired values are violated
(eine Erhöhung oder Verringerung) zu bewirken. Indirekt nimmt der Benutzer über die Temperatureinstellung auch eine(an increase or decrease). Indirectly, the user also takes on the temperature setting
Änderung der elektroosmotischen Flussgeschwindigkeit inChange in the electroosmotic flow velocity in
Kauf, die aber wieder- beispielsweise über die Spannung - ausgeregelt werden kann. Ähnlich wie bei der Geschwindigkeitsregelung kann auch bei der Temperaturregelung wieder individuell per Kanal Änderungen vorgenommen werden. Die Regelgröße aus dem Soll-Ist-Vergleich wird über einen DAC der Ansteuerelektronik für das jeweilige Thermoelement zu- geführt. Damit ist auch dieser Regelkreis geschlossen.Purchase, which, however, can be adjusted again, for example via the voltage. Similar to the speed control, changes can also be made individually by channel during temperature control. The controlled variable from the nominal-actual comparison is fed via a DAC to the control electronics for the respective thermocouple. This also closes this loop.
Neben den bereits genannten Einflussmöglichkeiten auf den elektroosmotischen Fluss, gibt es noch weitere Variablen oder Parameter, die den elektroosmotischen Fluss beeinflus- sen und dementsprechend gemäß Ausführungsbeispielen ausgenutzt werden können. So sinkt der elektroosmotische Fluss beispielsweise bei einem niedrigen pH-Wert (Puffer pH- Wert), da dadurch die Ladung oder Struktur der Probe verän- dert werden kann. Ebenso mindert eine höhere Ionenkonzentration oder Pufferkonzentration das Zeta-Potential und den elektroosmotischen Fluss (hohe Ströme und Wärme, Probenanlagerung) . Das Zeta-Potential kann ferner durch soge- nannte organische Modifizierer beeinflusst werden. Der e- lektroosmotische Fluss kann beispielsweise durch eine Netzmittelzugabe gesteigert werden, die sich an die Kapillarwände über hydrophobisch und/oder ionische Interaktionen anlagert (anionische Netzmittel steigern den EOF) . Anderer- seits mindern neutrale elektrophilische Polymere den elektroosmotischen Fluss durch eine Abschirmung von Oberflächenladungen und führen zu einer gesteigerten Viskosität. Dabei kommt es ebenfalls zu Anlagerungen an Kapillarwänden über hydrophobische Interaktionen. Schließlich können auch kova- lente Beschichtungen (chemisches Bonden an Kapillarwänden) zu einer Beeinflussung des elektroosmotischen Flusses führen. Bei den vielen Möglichkeiten sind hier jedoch Stabilitätsprobleme offen. Die genannten Einflussmöglichkeiten basieren also darauf, dass Zusätze in die Proben gegeben wer- den oder die Kapillarwände beispielsweise mit nanotechnolo- gischen Methoden an der Oberfläche behandelt werden. Die letzteren Methoden sind eher statisch, erstere durchaus dynamisch zu handhaben.In addition to the aforementioned possibilities of influencing the electroosmotic flow, there are other variables or parameters which influence the electroosmotic flow and can accordingly be exploited according to embodiments. For example, the electro-osmotic flow drops at a low pH (buffer pH), as this changes the charge or structure of the sample. can be changed. Likewise, higher ion concentration or buffer concentration reduces zeta potential and electroosmotic flow (high currents and heat, sample attachment). The zeta potential can also be influenced by so-called organic modifiers. The electro-osmotic flow can be increased, for example, by adding wetting agent, which attaches itself to the capillary walls via hydrophobic and / or ionic interactions (anionic wetting agents increase the EOF). On the other hand, neutral electrophilic polymers reduce electroosmotic flow by shielding surface charges and result in increased viscosity. There are also deposits on capillary walls via hydrophobic interactions. Finally, covalent coatings (chemical bonding on capillary walls) can also influence the electroosmotic flow. However, there are stability problems with the many possibilities. The above-mentioned possibilities of influence are thus based on adding additives to the samples or treating the capillary walls, for example, with nanotechnological methods on the surface. The latter methods are more static, the former quite dynamic to handle.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vielzahl technischer Anwendungsgebiete, von denen hier nur einige genannt sein sollen. Zum einen betrifft es das analytische Equipment im Gesundheitswesen - direkt am Krankenbett, im Notfallraum, im Ambulanzwagen, Veterinärmedizin, Point-of-Care, im Kriegsfall auch auf dem Schlachtfeld. Ein weiteres Anwendungsgebiet umfasst beispielsweise eine Umweltanalyse, Beprobung von Erdreich, Wasser, Luft oder Monitoringzwecke am Auto oder an Pipelines. Ebenso sind Anwendungen in Produktionslinien von Nah- rungsmitteln, der Chemie, der Pharmazie, der Kosmetik oder der Biotechnologie möglich. Weitere Anwendungsfelder bieten sich im Laboratorium an; entweder im Prozess/Entwicklung oder während experimenteller chemischer oder biochemischer Transformationen .Embodiments of the present invention relate to a variety of technical applications, of which only a few should be mentioned here. On the one hand it concerns the analytical equipment in the health service - directly at the sickbed, in the emergency room, in the Ambulanzwagen, veterinary medicine, point-of-care, in the war also on the battlefield. Another area of application includes, for example, an environmental analysis, sampling of soil, water, air or monitoring purposes on the car or on pipelines. Likewise, applications in food, chemical, pharmaceutical, cosmetics or biotech production lines are possible. Further fields of application are offered in the laboratory; either in the process / development or during experimental chemical or biochemical transformations.
Da zu einer Beherrschung eines Systems deren Kontrolle un- erlässlich ist, ist die Geschwindigkeits- und Temperaturregelung des Stofftransports in der Mikrofluidik gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hinsichtlich vieler Punkte vorteilhaft und unterscheidet sich somit grundlegend von bisher bekannten Systemen. Dies umfasst beispielsweise die Multi-Proben-Funktionalität, die dadurch ermöglicht wird, dass die Geschwindigkeitsregelung gleichzeitig erlaubt, den Aufenthaltsort der Probe oder mehrerer Proben innerhalb der Mikrofluidik zu bestimmen. Durch eine einfache elektronische Logik können dann auch mehrere Pro- ben gleichzeitig durch das Netzwerk aus frei konfigurierbaren Elektrodenarrays / Entscheidungsbäumen geleitet werden (sofern sich die unterschiedlichen Proben an verschiedenen Positionen aufhalten) und eine Kollision kann Dank einer Überwachung und separaten Steuerung ausgeschlossen werden.Since control of a system requires control thereof, the speed and temperature control of mass transfer in microfluidics in accordance with embodiments of the present invention is advantageous in many respects and thus differs fundamentally from previously known systems. This includes, for example, the multi-sample functionality, which allows the velocity control to simultaneously determine the location of the sample or multiple samples within the microfluidics. Simple electronic logic allows multiple samples to be routed simultaneously through the network of freely configurable electrode arrays / decision trees (as long as the different samples are in different locations), and a collision can be eliminated thanks to monitoring and separate control.
Da gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der elektroosmotische Fluss kontrolliert wird, werden mikrofluidische Systeme flexibler, viel einsatzfähiger und kostengünstiger, so dass sie für eine wirtschaftliche Nut- zung an Attraktivität gewinnen. Ausführungsbeispiele erlauben somit auch eine Programmiermöglichkeit durch einen Nutzer, die bei konventionellen Systemen nur extrem eingeschränkt möglich ist. Probleme, wie das Verdunsten oder im schlimmsten Fall das Verdampfen einer Probe, entfallen da- mit weitgehend bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.Because electroosmotic flow is controlled in accordance with embodiments of the present invention, microfluidic systems become more flexible, much more usable, and less expensive, making them more attractive for economic use. Embodiments thus also allow a programming option by a user, which is only extremely limited possible in conventional systems. Problems such as the evaporation or, in the worst case, the evaporation of a sample, thus largely disappear in the exemplary embodiments of the present invention.
Ferner weisen Ausführungsbeispiele eine einfache und übersichtliche Handhabung auf, da durch eine ausschließliche Benutzung der Elektrohydrodynamik als Stofftransportmechanismus mechanische Pumpen und Zuflüsse von außen entfallen. Dadurch wird der äußere Aufbau sehr übersichtlich und das System lässt sich viel besser handhaben - zum Beispiel ent- fallen unzählige Schlauchverbindungen. Ein weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen ist dadurch gegeben, dass wenige mechanische Teile gleichzeitig einen geringen Wartungsaufwand implizieren. Durch den Wegfall der mechanischen Teile entfällt nämlich die regelmäßig Wartung und Kontrolle der Schläuche, Pumpen, Ventile, etc. Ein Austausch von Verschleißteilen kann vermieden werden und somit sind zur Bedienung keine Kenntnisse mehr über das Anschließen der mechanischen Teile und die Flusssteuerung über externe Komponenten notwendig. Somit reduziert sich die Einarbeitungs- zeit und die Todzeit (Wartezeit) bei diesen Systemen erheblich und die Einsatzbandbreite steigt gleichzeitig stark.Furthermore, embodiments have a simple and clear handling, as by an exclusive Use of electrohydrodynamics as mass transport mechanism Mechanical pumps and inflows from the outside are eliminated. This makes the external structure very clear and the system is much easier to handle - for example, countless hose connections are eliminated. Another advantage of embodiments is given by the fact that a few mechanical parts at the same time imply low maintenance. The elimination of the mechanical parts eliminates the need for regular maintenance and inspection of the hoses, pumps, valves, etc. Replacement of wear parts can be avoided and thus no longer need to know about the connection of the mechanical parts and the flow control via external components , Thus, the training time and the dead time (waiting time) for these systems are significantly reduced and the range of use increases at the same time.
Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, dass Verdunstungen oder Verdampfungen weitestgehend vermieden werden können, da mit einer ständigen Temperaturüberwachung und -regelung rechtzeitig auf eventuelle kritische Betriebszustände Ein- fluss genommen werden kann. Die Regelung ermöglicht es, dass auch mehrere Proben umlaufen können und die Probenmenge - systembedingt - weiter reduziert werden kann. Ferner kann eine ständige Überwachung und Regelung auch hinsichtlich einer erreichbaren Stabilität vorteilhaft sein, da ein stabiler mikrofluidischer Fluss ermöglicht wird. Somit kann ebenfalls der Durchsatz erhöht werden. Schließlich erlauben Ausführungsbeispiele eine schnelle, genaue und kostengüns- tigere Probenanalyse, da eine Regelung einen geschwindig- keitsoptimierten Probendurchsatz über den elektroosmoti- schen Fluss erlaubt. Da mehrere Proben gleichzeitig durch das System geschleust werden können, kann der Durchsatz er- heblich vergrößert und die Kosten verringert werden. Kostenmindernd wirkt auch der Fakt, dass gemäß Ausführungsbeispielen teure mechanische Teile entfallen und somit ebenfalls teure mechanische Ersatzteile.As already mentioned, it is advantageous that evaporation or evaporation can be avoided to the greatest possible extent, since constant monitoring and control of the temperature can be used in good time for any critical operating conditions. The regulation makes it possible that several samples can circulate and the amount of sample can be further reduced due to the system. Furthermore, constant monitoring and control can also be advantageous in terms of achievable stability, since a stable microfluidic flow is made possible. Thus, the throughput can also be increased. Finally, embodiments allow a fast, accurate and more cost-effective sample analysis, since a control allows a speed-optimized sample throughput via the electro-osmotic flow. Since several samples can be passed through the system at the same time, the throughput can be considerably increased and the costs are reduced. Cost-reducing also affects the fact that according to embodiments expensive mechanical parts are eliminated and thus also expensive mechanical spare parts.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgenden bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Transport einer Probe innerhalb einer Kapillare gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 shows a device for transporting a sample within a capillary according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 ein Prinzipaufbau eines Glas-Chips;Fig. 2 is a schematic structure of a glass chip;
Fig. 3 ein Prinzipaufbau eines Silizium-Chips mit der Elektronik;3 shows a basic structure of a silicon chip with the electronics;
Fig. 4 eine schematische Darstellung für eine Geschwin- digkeitsregelung;4 is a schematic representation of a speed control;
Fig. 5 eine schematische Darstellung für eine Temperaturregelung;Fig. 5 is a schematic representation of a temperature control;
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer mäanderförmigen Struktur für die Kapillare; und6 shows an embodiment of a meander-shaped structure for the capillary; and
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für eine Struktur in Form eines Entscheidungsbaumes.Fig. 7 shows an embodiment of a structure in the form of a decision tree.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Transport einer mikrofluidischen Probe 110 in einer Kapillare 130, die in einem Substrat 120 ausgebildet ist. Die mikrofluidische Probe 110 (die im Folgendem oft nur als Probe bezeichnet wird) bewegt sich zwischen einer ersten Elektrode 141 und einer zweiten Elektrode 142, wobei sie einen Sensor 151, der entlang der Kapillare 130 zwischen der ersten Elektrode 141 und der zweiten Elektrode 142 angeordnet ist, passiert. Der Sensor 151 ist ausgelegt, um eine Messung bezüglich der Probe 110 durchzuführen, wobei beispielsweise ein Anfang 110a und ein Ende 110b der Probe 110 festgestellt werden und entsprechende Signale' an eine Regelung 160 weitergegeben werden können. Die Regelung 160 steuert beispielsweise eine Span- nung zwischen der ersten Elektrode 141 und der zweiten E- lektrode 142 in Abhängigkeit von einem Messergebnis der Messung und bestimmt somit das elektrische Feld E, das die Geschwindigkeit der Probe beeinflusst.1 shows a device for transporting a microfluidic sample 110 in a capillary 130, which is formed in a substrate 120. The microfluidic sample 110 (which is often referred to as a sample hereinafter) moves between a first electrode 141 and a second electrode 142, passing a sensor 151 disposed along the capillary 130 between the first electrode 141 and the second electrode 142. The sensor 151 is adapted to perform a measurement with respect to the sample 110, for example, a top 110a and an end 110b of the sample 110 are detected and corresponding signals' to a controller 160 can be passed. For example, the controller 160 controls a voltage between the first electrode 141 and the second electrode 142 in response to a measurement result of the measurement, and thus determines the electric field E that affects the speed of the sample.
Das Substrat 120 kann beispielsweise Glas (oder ein andere transparentes Material) aufweisen und auf einen Untergrund 125 ausgebildet sein, wobei der Untergrund 125 einen Siliziumchip oder ein anderes Halbleitersubstrat umfassen und die Regelung 160 aufweisen kann.For example, the substrate 120 may include glass (or other transparent material) and may be formed on a substrate 125, wherein the substrate 125 may include a silicon chip or other semiconductor substrate and may include the controller 160.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat 120 mit der Kapillare 130, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine mäanderförmige Struktur aufweist. Die Kapillare 130 verbindet ein Zuflussreservoir 161 mit einem Abflussre- servoir 162 und passiert acht Elektroden: eine erste Elektrode 141, eine zweite Elektrode 142, eine dritte Elektrode 143, eine vierte Elektrode 144, eine fünfte Elektrode 145, eine sechste Elektrode 146, eine siebte Elektrode 147 und eine achte Elektrode 148, wobei die zweite bis siebte E- lektrode 142 bis 147 jeweils an Eckpunkten der (rechtwinklig ausgestalteten) mäanderförmigen Struktur angeordnet sind und die erste Elektrode 141 möglichst nah an dem Zuflussreservoir 161 und die achte Elektrode 148 möglicht nah an dem Abflussreservoir 162 angeordnet sind. Der Abstand der ersten Elektrode 141 zum Zuflussreservoir 161 und der Abstand der achten Elektrode 148 von dem Abflussreservoir 162 kann beispielsweise derart gewählt sein, dass eine möglichst effiziente Aufnahme von Flüssigkeitsproben aus dem Zuflussreservoir 161 und eine möglichst effiziente Abgabe der Flüssigkeitsproben 110 in das Abflussreservoir 162 gegeben ist. In der Figur sind die Proben 110 nicht gezeigt.FIG. 2 shows a plan view of the substrate 120 with the capillary 130, which has a meandering structure in the exemplary embodiment shown here. The capillary 130 connects an inflow reservoir 161 to a drain reservoir 162 and passes eight electrodes: a first electrode 141, a second electrode 142, a third electrode 143, a fourth electrode 144, a fifth electrode 145, a sixth electrode 146, a seventh Electrode 147 and an eighth electrode 148, wherein the second to seventh E- electrodes 142 to 147 are respectively arranged at vertices of the (rectangularly configured) meandering structure and the first electrode 141 as close as possible to the inflow reservoir 161 and the eighth electrode 148 close as possible the outflow reservoir 162 are arranged. The distance of the first electrode 141 to the inflow reservoir 161 and the distance of the eighth electrode 148 from the outflow reservoir 162 may be selected, for example, such that the most efficient possible uptake of liquid samples from the Inflow reservoir 161 and the most efficient possible delivery of the liquid samples 110 is given in the discharge reservoir 162. In the figure, the samples 110 are not shown.
Die in dieser Draufsicht unterhalb des Substrats 120 angeordnete Elektronik 200 kann beispielsweise in einem Siliziumchip ausgebildet sein. Die Elektronik 200 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Regelungssensorik 210, eine Sensorsignalverarbeitung 220 (Auswerteeinheit), eine analo- ge Elektronik 230, eine Benutzerschnittstelle 240, eine Ak- torik 250, eine Regelung oder einen MikroController 160 (Regelung) und optional eine biochemische Analyse 270 auf. Mittels der Regelungssensorik 210 werden Sensorsignale er- fasst und an die Sensorsignalverarbeitung 220 weitergege- ben, die wiederum mittels der analogen Elektronik die Akto- rik 250 steuert. Dabei wird mittels der Benutzerschnittstelle 230 als auch mittels des MikroControllers 160 Ein- fluss auf die analoge Elektronik 230 genommen. Diese Ein- flussnahme kann beispielsweise von einer biochemischen Ana- lyse 270 abhängen, wenn z.B. die Probengeschwindigkeit zu schnell wird, um biochemischen Analysen durchführen zu können.The electronics 200 arranged in this plan view below the substrate 120 may, for example, be formed in a silicon chip. In this embodiment, the electronics 200 has a control sensor system 210, a sensor signal processor 220 (evaluation unit), an analog electronics 230, a user interface 240, an actuator 250, a control or a microcontroller 160 (control) and optionally a biochemical analysis 270 on. By means of the control sensor system 210, sensor signals are detected and passed on to the sensor signal processor 220, which in turn controls the actuator 250 by means of the analog electronics. In this case, the user interface 230 as well as the microcontroller 160 are used to influence the analogue electronics 230. This influence may depend, for example, on a biochemical analysis 270, if e.g. the sample speed becomes too fast to perform biochemical analyzes.
Fig. 3 zeigt einen Prinzipaufbau der Elektronik 200 in dem beispielhaften Silizium und ist komplementär zu der Darstellung in Fig. 2, das heißt, das Substrat 120 mit der mä- anderförmig ausgestalteten Kapillare 130, die das Zuflussreservoir 161 mit dem Abflussreservoir 162 verbindet, ist verkleinert links dargestellt. Fig. 3 zeigt detaillierter die Elektronik 200, wobei die Regelungssensorik 210 beispielsweise einen Photosensor oder einen Temperatursensor umfassen kann und die Sensorsignalverarbeitung 220 insbesondere eine rauscharme Signalverarbeitung ermöglichen sollte. Die analoge Elektronik 230 kann beispielsweise ein Ausbilden einer Referenzspannung oder von Referenzströmen, eine Digitalisierung, als auch eine Ansteuerung der Aktorik umfassen; die Aktorik 250 umfasst beispielsweise die Elektroden 141 bis 148 und einen Temperaturregler. Der Mikro- Controller 160 kann beispielsweise eine Ablaufsteuerung und Regelgrößen aufweisen/beeinflusse und legt beispielsweise fest, wann die Geschwindigkeit der Probe 110 beziehungsweise eine bestimmt Probe in einer Vielzahl von Proben be- schleunigt oder verlangsamt werden sollte und gibt entsprechende Signale an die analoge Elektrode 230 weiter.FIG. 3 shows a basic structure of the electronics 200 in the exemplary silicon and is complementary to the illustration in FIG. 2, that is to say the substrate 120 with the meandering capillary 130 which connects the inflow reservoir 161 to the drainage reservoir 162 scaled down shown on the left. 3 shows in more detail the electronics 200, wherein the control sensor system 210 may include, for example, a photosensor or a temperature sensor, and the sensor signal processing 220 should in particular enable low-noise signal processing. The analogue electronics 230 may comprise, for example, a formation of a reference voltage or of reference currents, a digitization, as well as a control of the actuators; the actuator 250 includes, for example, the electrodes 141 to 148 and a temperature controller. The micro- For example, the controller 160 may include / influence on flow control and control variables, and determines, for example, when the velocity of the sample 110 or a particular sample in a plurality of samples should be accelerated or decelerated, and passes corresponding signals to the analog electrode 230.
Die Benutzerschnittstelle 240 umfasst beispielsweise eine Einstellung für die Geschwindigkeit und Temperatur (z.B. Soll-Wert) und kann eine Darstellung von Ist-Größen aufweisen. Somit kann der Benutzer den Analysevorgang verfolgen und bei Bedarf über die analoge Elektronik 230 Einfluss nehmen. Diese Einflussnahme kann beispielsweise eine Geschwindigkeitsänderung von einer Probe 110 als auch eine Temperaturänderung der Probe 110 bedeuten. Die biochemische Analyse 270 kann beispielsweise eine Sensorik (für biochemische Daten) , eine Signalverarbeitung und eine Signaldarstellung aufweisen und kann optional mit der Benutzerschnittstelle 240 als auch mit dem MikroController 160 ge- koppelt sein, um über eine Einflussnahme des Benutzers oder des Mirkocontrollers 160 optimale Bedingungen für die biochemische Analyse zu gewährleisten.For example, user interface 240 includes a speed and temperature setting (e.g., target value) and may include a representation of actual sizes. Thus, the user can follow the analysis process and, if necessary, influence over the analog electronics 230. This influence can mean, for example, a speed change of a sample 110 as well as a temperature change of the sample 110. For example, the biochemical analysis 270 may include sensors (for biochemical data), signal processing, and signal presentation, and may optionally be coupled to the user interface 240 as well as to the microcontroller 160 to provide optimal conditions through an intervention of the user or the microcontroller 160 for biochemical analysis.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Geschwindig- keitsregelung des elektroosmotischen Flusses 300. Dabei wird der elektroosmotische Fluss 300 über eine Messung 310 mittels Photosensoren vorgenommen und die Daten werden beispielsweise an eine CMOS-Bildverarbeitungselektronik 320 weitergegeben, die aus den gemessenen Daten eine Geschwin- digkeitsmessung 330 vornimmt. Die gemessene Geschwindigkeit wird einem Ist-Soll-Vergleich 350 zugeführt, der beispielsweise diese Daten für verschiedene Probensamples 110 und verschiedene Kanäle erfasst und eine Koordination vornehmen kann. Dazu kann beispielsweise über ein User-Interface 340 entsprechende Soll-Werte für die Geschwindigkeit der Proben 110 zugeführt werden. Entsprechend dem Ergebnis aus dem Ist-Soll-Vergleich 350 wird die Geschwindigkeit entweder erhöht (wenn der Ist-Wert unterhalb des Soll-Wertes liegt) oder aber die Geschwindigkeit wird verringert (wenn der Ist-Wert oberhalb des Soll-Wertes liegt) . Die Einflussnahme erfolgt über die Regelgrößen und einem Digital-Analog- Wandler 360, der wiederum eine Elektrodenansteuerung 370 bewirkt, wodurch das elektrische Feld E (Richtung und Amplitude) beeinflusst werden können. Durch eine Veränderung des elektrischen Feldes E in der Elektrodenansteuerung 370 kommt es schließlich zur Veränderung 380 der Fließgeschwindigkeit aller Samples je Kanal bzw. je Kapillare.FIG. 4 shows an exemplary embodiment for a speed control of the electroosmotic flow 300. The electroosmotic flow 300 is performed via a measurement 310 by means of photosensors and the data are forwarded, for example, to a CMOS image processing electronics 320, which uses the measured data to generate a velocity. measurement 330. The measured speed is supplied to an actual-target comparison 350, which can, for example, record this data for different sample samples 110 and different channels and carry out a coordination. For this purpose, for example, corresponding setpoint values for the speed of the samples 110 can be supplied via a user interface 340. According to the result from the actual-target comparison 350, the speed is either increased (if the actual value is below the desired value). or the speed is reduced (if the actual value is above the target value). The influencing takes place via the controlled variables and a digital-analog converter 360, which in turn effects an electrode driver 370, whereby the electric field E (direction and amplitude) can be influenced. By a change in the electric field E in the electrode driver 370, there is finally a change 380 in the flow rate of all samples per channel or per capillary.
Die verschiedenen Kanäle können beispielsweise den graden Abschnitten der mäanderförmigen Struktur entsprechen, d.h. die mäanderförmige Struktur der Kapillare 130 kann dadurch gebildet sein, dass verschiedene Kanäle durch die Kapillare 130 verbunden sind und sich in jedem Kanal beispielsweise eine Probe 110 aufhalten kann. Des Weiteren ist es auch möglich, dass mehrere Kapillare getrennt angeordnet sein können und über eine Steuerung entsprechend gesteuert werden können.For example, the various channels may correspond to the straight sections of the meandering structure, i. The meandering structure of the capillary 130 may be formed by connecting various channels through the capillary 130 and, for example, containing a sample 110 in each channel. Furthermore, it is also possible that a plurality of capillaries can be arranged separately and can be controlled accordingly by a controller.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Temperaturregelung. Dabei werden die Proben 110 des elektroosmotischen Flusses 300 zunächst über die Photosensoren 310 erfasst als auch deren Tempera- tur durch die Temperatursensoren 410 bestimmt. Die Photosensoren 310 geben die entsprechenden Signale (beispielsweise die Zeitpunkte) an eine Bildverarbeitungselektronik 320, die beispielsweise auf CMOS-Technologie basieren kann, weiter, wobei in dem Schritt 440 eine Messung der Abnahme der Probenausdehnung und eine Messung der Probengeschwindigkeit vorgenommen wird. Wenn zumindest zwei Elektroden vorhanden sind, kann die Geschwindigkeit durch ein Erfassen des Anfangspunktes 110a der Probe 110 an verschiedenen E- lektroden erfolgen. Bei Kenntnis der Geschwindigkeit, kann eine Volumenänderung oder -bestimmung durch ein Erfassen des Zeitintervalls zwischen dem Passieren der Anfangs- und Endpunkte 110a, 11Oe der Probe 110 erfolgen. Diese Informationen können dann dazu genutzt werden, um auf verschiedene Proben hinsichtlich ihres Abstandes und ihres Volumen Ein- fluss zu nehmen. Die Messung der Probenausdehnung dient dabei als Maß für eine Verdunstung und die Messung der Probengeschwindigkeit (bzw. deren Änderung) als ein Maß für eine Viskositätsänderung.Fig. 5 shows a schematic representation of an embodiment of a temperature control. In this case, the samples 110 of the electroosmotic flow 300 are first detected by the photosensors 310 and their temperature determined by the temperature sensors 410. The photosensors 310 pass the corresponding signals (e.g., the times) to an image processing electronics 320, which may be based on, for example, CMOS technology, wherein in step 440 a measurement of the decrease in sample extension and a measurement of the sample velocity is made. If at least two electrodes are present, the speed can be achieved by detecting the starting point 110a of the sample 110 at different electrodes. Knowing the speed, a volume change or determination may be made by detecting the time interval between passing the start and end points 110a, 11Oe of the sample 110. This information can then be used to differentiate To influence samples with regard to their distance and their volume. The measurement of the sample expansion serves as a measure of evaporation and the measurement of the sample velocity (or its change) as a measure of a change in viscosity.
Die Signale des Temperatursensors 410 werden an eine Signalverarbeitungselektronik 420 weitergeleitet, die ebenfalls auf eine CMOS-Technologie basieren kann, und einen Temperaturmess-Schritt 430 vornimmt. Das Ergebnis der Temperaturmessung 430 als auch das Ergebnis der Messung 440 zur Probenausdehnung/Probengeschwindigkeit werden einem Ist-Soll-Vergleich 450 zugeführt. Der Ist-Soll-Vergleich 450 koordiniert beispielsweise alle Probensamples 110 und die Kanäle, wobei der Soll-Wert beispielsweise über ein U- ser-Interface 340 eingegeben werden kann. Alternativ kann der Soll-Wert auch beispielsweise durch die biochemische Analyse 270 beeinflusst werden, um dadurch eine Verbesserung der biochemischen Analysebedingungen zu bewirken. Das Ergebnis des Ist-Soll-Vergleichs 450 dient wiederum dazu, den elektroosmotischen Fluss 300 zu verändern beziehungsweise deren Temperatur entsprechend abzuändern, mit dem Ziel Ist- und Soll-Werte anzugleichen. Dazu wird das Ergebnis des Ist-Soll-Vergleichs 450 über einen digital-analog- Wandler 460 hinsichtlich der Regelgröße umgewandelt und an einer Ansteuerung für ein Thermoelement 470 weitergeleitet. Das Thermoelement 470 wiederum bewirkt eine Änderung 480 der Temperatur in der Kapillare oder den Kapillarabschnitten und beeinflusst somit den elektroosmotischen Fluss 300 über die oben erwähnte Temperaturabhängigkeit sowohl der Viskosität als auch des Zeta-Potentials . Wie auch bei der Geschwindigkeitsregelung kann die Temperaturregelung, wie sie in Fig. 5 erläutert wurde, für verschiedene Kanäle (Kanal 1 bis Kanal n) beziehungsweise auch für Kanalabschnitte separat durchgeführt werden, um somit Einfluss auf einzelne Proben 110 nehmen zu können. Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für eine mäanderförmige Struktur der Kapillare 130, die wiederum das Zuflussreservoir 161 mit dem Abflussreservoir 162 verbindet.The signals of the temperature sensor 410 are forwarded to a signal processing electronics 420, which can also be based on a CMOS technology, and performs a temperature measurement step 430. The result of the temperature measurement 430 as well as the result of the sample expansion / sample rate measurement 440 are fed to an actual-target comparison 450. The actual-target comparison 450 coordinates, for example, all sample samples 110 and the channels, wherein the desired value can be input, for example via a U ser-interface 340. Alternatively, the target value may also be influenced, for example, by the biochemical analysis 270, thereby effecting an improvement in the biochemical analysis conditions. The result of the actual-target comparison 450 again serves to modify the electro-osmotic flow 300 or to change its temperature accordingly, with the aim of equalizing actual and target values. For this purpose, the result of the actual-nominal comparison 450 is converted via a digital-to-analog converter 460 in terms of the controlled variable and forwarded to a control for a thermocouple 470. The thermocouple 470, in turn, causes a change 480 in the temperature in the capillary or capillary sections and thus affects the electroosmotic flow 300 via the above-noted temperature dependence of both the viscosity and the zeta potential. As with the speed control, the temperature control, as has been explained in FIG. 5, can be carried out separately for different channels (channel 1 to channel n) or also for channel sections, in order thus to be able to influence individual samples 110. FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the present invention for a meander-shaped structure of the capillary 130, which in turn connects the inflow reservoir 161 with the outflow reservoir 162.
Oben in Fig. 6 ist eine Draufsicht gezeigt für das Substrat 120 und unten in Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht gezeigt durch das Substrat 120 und das Untergrundsubstrat 125, welches beispielsweise die Elektronik 200 aufweisen kann.At the top of FIG. 6, a top view is shown for the substrate 120, and at the bottom of FIG. 6, a cross-sectional view is shown through the substrate 120 and the ground substrate 125, which may include the electronics 200, for example.
Fig. 6A zeigt in einer Draufsicht die mäanderförmige Kapillare 130, die auf oder in dem Substrat 120 ausgebildet ist. In dieser Draufsicht sind entlang mäanderförmigen Struktur, die sich in der (x,y) -Ebene befindet, acht Elektroden (141 bis 148) ausgebildet und eine erste Probe 501, eine zweite Probe 502, eine dritte Probe 503 und eine vierte Probe 504 gezeigt, wobei die erste Probe sich zwischen der ersten und zweiten Elektrode 141, 142; die zweite Probe 502 zwischen der dritten und vierten Elektrode 143, 144; die dritte Probe 503 zwischen der fünften und sechsten Elektrode 145, 146 und die vierte Probe 504 zwischen der siebten und achten Elektrode 147, 148 sich befinden. Die Spannung zwischen den acht Elektroden kann dabei beispielsweise derart gewählt sein, dass sich die erste bis vierte Probe jeweils in einem gleichen Abstand zueinander befinden und mit einer gleichen Geschwindigkeit die mäanderförmig ausgestaltete Kapillare 130 passieren. Ferner sind entlang der mäanderförmigen Kapillare 130 acht Photosensoren ausgebildet: einen ersten und einen zweiten Photosensor 151, 152 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 141, 142; einen dritten und vierten Photosensor 153, 154 zwischen der dritten und der vierten Elektrode 143, 144; einen fünften und einen sechsten Photosensor 155, 156 zwischen der fünften und sechsten E- lektrode 145, 146 und einen siebten und achten Photosensor 157, 158 zwischen der siebten und achten Elektrode 147, 148. Ferner ist zwischen dem ersten und dem zweiten Photosensor 151, 152 ein erster Temperatursensor 521, zwischen dem dritten und dem vierten Photosensor 153, 154 ein zweiter Temperatursensor 522, zwischen dem fünften und dem sechsten Photosensor 155, 156 ein dritter Temperatursensor 523, zwischen dem siebten und achten Photosensor 157, 158 ein vierter Temperatursensor 524 angeordnet. Die acht Photosensoren 151 bis 158 als auch die vier Temperatursensoren 521 bis 524 dienen dabei der Geschwindigkeits- als auch der Temperatur-Erfassung der Proben 501 bis 504 auf die wiederum in der zuvor beschriebenen Art und Weise über eine Rück- kopplung auf die anliegende Spannung der acht Elektroden 141 bis 148 Einfluss genommen werden kann.FIG. 6A shows a top view of the meandering capillary 130 formed on or in the substrate 120. In this plan view, eight electrodes (141 to 148) are formed along a meander-shaped structure located in the (x, y) plane, and a first sample 501, a second sample 502, a third sample 503, and a fourth sample 504 are shown wherein the first sample intervenes between the first and second electrodes 141, 142; the second sample 502 between the third and fourth electrodes 143, 144; the third sample 503 is between the fifth and sixth electrodes 145, 146 and the fourth sample 504 is between the seventh and eighth electrodes 147, 148. The voltage between the eight electrodes can be selected, for example, such that the first to fourth sample are each at an equal distance from one another and pass through the meander-shaped capillary 130 at the same speed. Furthermore, eight photosensors are formed along the meandering capillary 130: first and second photosensors 151, 152 between the first and second electrodes 141, 142; third and fourth photosensors 153, 154 between the third and fourth electrodes 143, 144; a fifth and a sixth photosensor 155, 156 between the fifth and sixth electrodes 145, 146 and a seventh and eighth photosensor 157, 158 between the seventh and eighth electrodes 147, 148. Further, between the first and the second photosensor 151, 152, a first temperature sensor 521, between the third and the fourth photosensor 153, 154, a second temperature sensor 522, between the fifth and the sixth photosensor 155, 156, a third temperature sensor 523, arranged between the seventh and eighth photosensor 157, 158, a fourth temperature sensor 524. The eight photosensors 151 to 158 as well as the four temperature sensors 521 to 524 serve to detect the speed as well as the temperature of the samples 501 to 504 in turn in the previously described manner via a feedback to the applied voltage of the eight electrodes 141 to 148 can be influenced.
Ferner können biochemische Analysen mittels Biosensoren durchgeführt werden. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel ist ein erster Biosensor 531 zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode 142, 143; ein zweiter Biosensor 532 zwischen der vierten und fünften E- lektrode 144, 145; ein dritter Biosensor 533 zwischen der sechsten und siebten Elektrode 146, 147 angeordnet. Bei- spielsweise passieren die Proben 501 bis 504 zuerst den Biosensor 531, dann den zweiten Biosensor 532 und schließlich den dritten Biosensor 533, wobei die drei Biosensoren 531 bis 533 unterschiedliche Messungen an den Proben 501 bis 504 vornehmen können. Über Erfassung der Geschwindig- keit und Temperatur wie es zuvor beschrieben wurde, können nun Bedingungen bereitgestellt werden, so dass die Biosensoren 531 bis 533 optimale Sensorbedingungen vorfinden können.Furthermore, biochemical analyzes can be carried out by means of biosensors. In the embodiment shown in FIG. 6, a first biosensor 531 is interposed between the second electrode and the third electrode 142, 143; a second biosensor 532 between the fourth and fifth electrodes 144, 145; a third biosensor 533 is disposed between the sixth and seventh electrodes 146, 147. For example, the samples 501 to 504 pass first the biosensor 531, then the second biosensor 532, and finally the third biosensor 533, whereby the three biosensors 531 to 533 can make different measurements on the samples 501 to 504. By detecting the speed and temperature as described above, conditions can now be provided so that the biosensors 531 to 533 can find optimal sensor conditions.
Fig. 6B zeigt einen Querschnitt entlang der (z,x) -Ebene durch das Substrat 120 und das Untergrundsubstrat 125, wobei dieser Querschnitt entlang der X-X' -Linie aus Fig. 6A durchgeführt wurde. Er zeigt somit die Kapillare 130, wie sie in das Abflussreservoir 162 endet und die vierte Probe 504 aufweist. Die vierte Probe 504 befindet sich zwischen der siebten Elektrode 147 und der achten Elektrode 148 und ferner ist entlang der Kapillare 130 der vierte Temperatursensor 524, der sich zwischen dem siebten und dem achten Photosensor 157 und 158 befindet, gezeigt. Diese Querschnittsansicht zeigt ferner den zweiten Biosensor 532 als auch den dritten Biosensor 533, die sich jedoch in y- Richtung von der Schnittebene versetzt angeordnet sind.Figure 6B shows a cross-section along the (z, x) plane through substrate 120 and sub-substrate 125, this cross-section taken along the XX 'line of Figure 6A. It thus shows the capillary 130 as it terminates in the drainage reservoir 162 and has the fourth sample 504. The fourth sample 504 is located between the seventh electrode 147 and the eighth electrode 148, and further along the capillary 130 is the fourth temperature sensor 524 located between the seventh and the eighth Photosensor 157 and 158 is shown. This cross-sectional view further shows the second biosensor 532 as well as the third biosensor 533, which are, however, arranged offset in the y-direction from the sectional plane.
Durch die Vielzahl von Elektroden 141 bis 148, und die Vielzahl von Photosensoren 151 bis 158 als auch die Vielzahl von Thermosensoren/Thermoelementen 521 bis 524, ist es möglich, Proben, die sich gleichzeitig in der mäanderförmi- gen Kapillare 130 befinden, separat anzusteuern, als auch deren Geschwindigkeit und Temperatur separat zu erfassen, um darauf Einfluss zu nehmen. Das ermöglicht einen erheblich höheren Probendurchsatz als auch optimale Analysebedingungen für die Biosensoren 531 bis 533 - und zwar für jede Probe einzeln.Due to the plurality of electrodes 141 to 148, and the plurality of photosensors 151 to 158 as well as the plurality of thermal sensors / thermocouples 521 to 524, it is possible to separately control samples that are located simultaneously in the meandering capillary 130, as well as their speed and temperature separately to capture, to influence it. This allows a significantly higher sample throughput as well as optimal analysis conditions for the biosensors 531 to 533 - for each sample individually.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel von Fig. 6 zeigt somit im oberen Abschnitt (Fig. 6A) eine Draufsicht auf den beispielhaften Glas-Chip 120, wobei neben den Elektroden 141 bis 148 eine mögliche Verteilung von Photosensoren 151 bis 158 (je zwei pro Kanal) und der Temperatursensor/Thermoelementen 521 bis 524 angedeutet sind. Außerdem sind die Sensoren für die eigentliche biochemische Analyse dargestellt (ersten bis dritten Biosensor 531 bis 533) . Es ist somit ein Beispiel dargestellt, bei dem die Kapillare 130 mäanderförmig über den beispielhaften Glas-Chip 120 führt und ein Zufluss und ein Abfluss (Zuflussreservoir 161, Abflussreservoir 162) besitzt. Somit findet an drei Stellen einer Nutzanalyse (an den drei Biosensoren 531 bis 533) statt. Ferner sind in dem Kanalsystem vier Probensam- ples (501 bis 504) unterwegs, die alle über Elektrodenpaare individuell (das heißt über einen Spannungsabfall benachbarter Elektroden) gesteuert werden können. Im unteren Abschnitt (Fig. 6B) ist, wie gesagt, die Sandwich-Struktur des Aufbaus aus dem beispielhaften Glas-Chip 120 und einem Siliziumchip 125 erkennbar, wobei lediglich die Sensoren angedeutet, die Elektronik 200 und alle Schnittstellen jedoch nicht eingezeichnet sind. Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Probensamples 110 anstatt der mäanderförmigen Struktur aus Fig. 6 einen Entscheidungsbaum passieren, wobei der Pfad von Messergebnissen der Biosensoren abhängt.The embodiment shown in FIG. 6 thus shows in the upper section (FIG. 6A) a plan view of the exemplary glass chip 120, wherein apart from the electrodes 141 to 148 a possible distribution of photosensors 151 to 158 (two per channel) and the Temperature sensor / thermocouples 521 to 524 are indicated. In addition, the sensors for the actual biochemical analysis are shown (first to third biosensor 531 to 533). Thus, an example is shown in which the capillary 130 meanders over the exemplary glass chip 120 and has an inflow and outflow (inflow reservoir 161, outflow reservoir 162). Thus, a useful analysis (at the three biosensors 531 to 533) takes place in three places. Furthermore, four sample slots (501 to 504) are traveling in the channel system, all of which can be controlled individually via electrode pairs (that is to say via a voltage drop of adjacent electrodes). In the lower section (FIG. 6B), as stated, the sandwich structure of the structure of the exemplary glass chip 120 and a silicon chip 125 can be seen, wherein only the sensors are indicated, the electronics 200 and all interfaces are not shown. FIG. 7 shows a further embodiment in which the sample samples 110 pass a decision tree instead of the meandering structure of FIG. 6, the path being dependent on measurement results of the biosensors.
Fig. 7A zeigt ähnlich wie Fig. 6A eine Draufsicht auf dem zu einem Entscheidungsbaum sich verzweigenden Kanal 130, der das Zuflussreservoir 161 mit Abflussreservoirs 162a bis 162h verbindet. Die Verzweigungen sind auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet, wobei jedes Niveau eine Vielzahl von Elektroden aufweist. So befinden sich auf einem zweiten Niveau drei Elektroden 142a-c, auf dem dritten Niveau vier Elektroden usw. Die Nummerierung in der Elemente auf den unterschiedlichen Niveaus erfolgt von oben nach unter in Fig. 7. Die Elektroden dienen der Steuerung der Probe 110 und bewirken eine Richtungsänderung. Im folgenden werden nur einige Verzweigungen erläutert werden.Figure 7A, similar to Figure 6A, shows a top view of the decision tree branching channel 130 connecting the inflow reservoir 161 to outflow reservoirs 162a-162h. The branches are arranged at different levels, each level having a plurality of electrodes. Thus, at a second level there are three electrodes 142a-c, at the third level four electrodes, etc. The numbering in the elements at the different levels is from top to bottom in Fig. 7. The electrodes serve to control the sample 110 and cause a change of direction. In the following, only a few branches will be explained.
Eine erste Verzweigung des Entscheidungsbaums erfolgt an der zweiten Elektrode des zweiten Niveaus 142b, wobei zwischen der zweiten Elektrode des zweiten Niveaus 142b und dem Zuflussreservoir 161 eine erste Elektrode 141, der erste Biosensor 531 und der erste Photosensor 151 angeordnet sind. An der zweiten Elektrode des zweiten Niveaus 142b erfolgt eine Aufspaltung in zwei Kanalbereiche, wobei ein Kanalbereich zu einer ersten Elektrode des zweiten Niveaus 142a und der erste Kanalbereich zu einer dritten Elektrode des zweiten Niveaus 142c führt. An der vierten Elektrode des dritten Niveaus 143d und an der dritten Elektrode des dritten Niveaus 143c erfolgt wiederum ein Aufspalten des ersten Kanalbereiches und des zweiten Kanalbereiches, wobei zwischen der zweiten Elektrode des dritten Niveaus 143b und der ersten Elektrode des zweiten Niveaus 142a ein erster Biosensor des zweiten Niveaus 532a und ein erster Photosensor des zweiten Niveaus 152a angeordnet sind. In gleicher Art und Weise sind zwischen der dritten Elektrode des dritten Niveaus 143c und der dritten Elektrode des zweiten Ni- veaus 142c ebenfalls ein zweiter Biosensor des zweiten Niveaus 532b und ein zweiter Photosensor des zweiten Niveaus 152b angeordnet. Die Aufspaltung des Kanals an der zweiten Elektrode des dritten Niveaus 143b ergibt einen dritten Kanalbereich und einen vierten Kanalbereich, wobei der dritte Kanalbereich eine erste Elektrode des dritten Niveaus 143a aufweist und zwischen der ersten Elektrode des dritten Niveaus 143a und der zweiten Elektrode des dritten Niveaus 143b ein erster Photosensor des dritten Niveaus 153a angeordnet ist. Der dritte Kanalbereich führt nun von der ers- ten Elektrode des dritten Niveaus 143a zu der zweiten E- lektrode des vierten Niveaus 144b, wobei ein erster Biosensor des dritten Niveaus 533a und ein erster Photosensor des vierten Niveaus 154a passiert werden. An der zweiten Elektrode des vierten Niveaus 144b und an der vierten Elektrode des vierten Niveaus 144d erfolgt wiederum eine Aufspaltung.A first branch of the decision tree takes place at the second electrode of the second level 142b, wherein a first electrode 141, the first biosensor 531 and the first photosensor 151 are arranged between the second electrode of the second level 142b and the inflow reservoir 161. The second electrode of the second level 142b is split into two channel regions, with one channel region leading to a first electrode of the second level 142a and the first channel region leading to a third electrode of the second level 142c. At the fourth electrode of the third level 143d and at the third electrode of the third level 143c, in turn, the first channel region and the second channel region are split, with a first between the second electrode of the third level 143b and the first electrode of the second level 142a Biosensor second level 532a and a first photosensor of the second level 152a are arranged. In the same way, between the third electrode of the third level 143c and the third electrode of the second level 142c, a second biosensor of the second level 532b and a second photosensor of the second level 152b are also arranged. The splitting of the channel at the second electrode of the third level 143b results in a third channel region and a fourth channel region, the third channel region having a first electrode of the third level 143a and between the first electrode of the third level 143a and the second electrode of the third level 143b a first photosensor of the third level 153a is arranged. The third channel region now leads from the first electrode of the third level 143a to the second electrode of the fourth level 144b, passing through a first biosensor of the third level 533a and a first photosensor of the fourth level 154a. At the second electrode of the fourth level 144b and at the fourth electrode of the fourth level 144d, in turn, a splitting takes place.
Diese Aufspaltung der Kanalbereiche kann sich in mehreren Schritten fortsetzen, wobei in einem letzten Kanalbereich wiederum zwei Elektroden angeordnet sind, in der Fig. 7A ist das beispielsweise die erste Elektrode des vierten Niveaus 144a und die letzte Elektrode 148a, zwischen denen ein erster Biosensor des vierten Niveaus 534a und ein erster Photosensor des fünften Niveaus 155a angeordnet sind. Der letzte Kanalbereich mündet schließlich nach dem Passie- ren der letzten Elektrode 148a in das Abflussreservoir 162a. Verschiedene Verzweigungsschritte führen in gleicher Art und Weise zu den verbleibenden Abflussreservoirs 162b bis 162h. Fig. 7A zeigt ebenfalls eine Probe 110, die sich zwischen der ersten Elektrode des zweiten Niveaus 142a und der zweiten Elektrode des dritten Niveaus 143b befindet. Der kon- krete Weg, den die Probe 110 nehmen wird, kann dabei derart gewählt werden, dass beispielsweise in Abhängigkeit der Messungen an den Biosensoren 531 bis 534, der Weg der Probe 110 entsprechend geändert wird. Zum Beispiel können die verschiedenen Biosensoren verschiedene biochemische Unter- suchungen durchführen, so dass bei einem positiven Befund hinsichtlich eines Messergebnisses, der Pfad derart geändert wird, dass weitere Analysen an der Probe 110 durchgeführt werden. In gleicher Art und Weise wie es auch in der Fig. 6 beschrieben wurde, können gleichzeitig mehrere Pro- ben den Kanal 130 passieren, wobei die Photosensoren zum einen die Position der einzelnen Proben als auch Änderungen im Volumen erfassen können und über die Regelung 160 die Geschwindigkeit der einzelnen Proben als auch deren Abstand untereinander reguliert werden kann.This splitting of the channel regions can continue in several steps, two electrodes in turn being arranged in a last channel region; in FIG. 7A this is, for example, the first electrode of the fourth level 144a and the last electrode 148a, between which a first biosensor of the fourth Levels 534a and a first photosensor of the fifth level 155a are arranged. Finally, the last channel region opens into the discharge reservoir 162a after passing the last electrode 148a. Different branching steps lead in the same way to the remaining outflow reservoirs 162b to 162h. Fig. 7A also shows a sample 110 located between the first electrode of the second level 142a and the second electrode of the third level 143b. The concrete path which the sample 110 will take can be chosen such that, for example, depending on the measurements on the biosensors 531 to 534, the path of the sample 110 is changed accordingly. For example, the various biosensors may perform various biochemical examinations such that upon a positive finding for a measurement result, the path is changed such that further analyzes are performed on the sample 110. In the same way as was also described in FIG. 6, several samples can pass through the channel 130 at the same time, the photosensors being able to detect the position of the individual samples as well as changes in the volume and via the controller 160 Speed of each sample and their spacing can be regulated with each other.
Die Draufsicht in Fig. 7A ist wie in Fig. 6A in einer (x,y) -Ebene gelegen und Fig. 7B zeigt einen Querschnitt durch diese Ebene in z-Richtung entlang der X-X1- Schnittlinie vom Zuflussreservoir 161 zu dem Abflussreser- voir 162h (entlang der Strich-Punkt-Linie in Fig. 7A) .The top view in FIG. 7A is located in a (x, y) plane as in FIG. 6A, and FIG. 7B shows a cross section through this plane in the z direction along the XX 1 section line from the inflow reservoir 161 to the outflow reservoir 162h (along the dash-and-dotted line in Fig. 7A).
In der Querschnittsansicht von Fig. 7B sind neben den Elementen, die bereits in Fig. 7A beschrieben wurden, weitere Elektroden eingezeichnet. Die weiteren Elektroden können insbesondere einem Transport mittels Elektrowetting unterstützen bzw. verbessern. Die weiteren Elektroden umfassen zum einen Top-Elektroden 641 bis 648, die sich in der Querschnittsdarstellung von Fig. 7B oberhalb des Kanals 130 be- finden. Ferner sind in der Querschnittsansicht von Fig. 7B Oberflächenelektroden 741 bis 748 sichtbar, die beispielsweise dazu dienen, Oberflächeneigenschaften durch Potentialdifferenzen zwischen Elektrodenpaaren zu verändern und dadurch eine Regelung des Flusses zu bewirken. Sowohl die Topelektroden 641 bis 648 als auch die Oberflächenelektroden 741 bis 748 sind in der Draufsicht von Fig. 7A nicht dargestellt. Alle weiteren Elemente, die in Fig. 7B gezeigt sind, befinden sich ebenfalls in Fig. 6A. Das Substrat 120 ist, wie in Fig. 7B ersichtlich ist, weist eine Abdeckschicht 120a, einen Kanalbereich 120b als auch ein Untergrundsubstrat 125 auf. Das Untergrundsubstrat 125 kann wiederum beispielsweise einen Silizium-Chip aufweisen und die Abdeckschicht 120a als auch der Kanalbereich 120b können ein Polymer (Polymer-Chips) bzw. Glas aufweisen.In the cross-sectional view of Fig. 7B, in addition to the elements already described in Fig. 7A, further electrodes are drawn. The further electrodes can in particular support or improve transport by means of electrowetting. The further electrodes comprise, on the one hand, top electrodes 641 to 648 which, in the cross-sectional representation of FIG. 7B, are located above the channel 130. Find. Further, in the cross-sectional view of Fig. 7B, surface electrodes 741 to 748 are visible, which serve, for example, to change surface properties by potential differences between pairs of electrodes, thereby effecting control of the flux. Both the top electrodes 641 to 648 and the surface electrodes 741 to 748 are not shown in the plan view of FIG. 7A. All other elements shown in Fig. 7B are also shown in Fig. 6A. The substrate 120, as can be seen in FIG. 7B, includes a cap layer 120a, a channel region 120b, and a substrate substrate 125. The substrate substrate 125 may in turn comprise a silicon chip, for example, and the cover layer 120a as well as the channel region 120b may comprise a polymer (polymer chips) or glass.
Weitere Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zur Herstellung einer der oben genannten Vorrichtungen, die beispielsweise die Sandwich-Struktur, transparente Elektroden und elektrische Durchkontaktierungen zur Kontaktierung der Elektroden (erste Elektrode 141, Topelektrode 641, Oberflächenelektrode 741, etc.) aufweist, bereit. Die Elektroden 141, 641, 741 sind dauerhaft gebondet oder löslich kontaktiert. Dadurch wird es möglich, das Substrat 120 (Glas- Chip/Polymer) und den Siliziumchip 125 voneinander zu trennen, so dass das Substrat 120 (mit dem Kanal 130) nach einem ein- oder mehrmaligen Gebrauch ausgetauscht werden kann bzw. verschiedene Substrate (z.B. mit mäanderförmiger Struktur oder Entscheidungsbaumstruktur) je nach Bedarf auf eine Untergrundsubstrat 125 (auf einen Silizium-Chip mit der Regelung/Steuerung) aufgesetzt werden können. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Elektroden ein Teil des Untergrundsubstrats 125 sind und macht die Vorrichtung flexibel einsetzbar. Abhängig von den Gegebenheiten können obige Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, CD oder DVD mit elektro- nisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das jeweilige Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Software-Programm-Produkt bzw. einem Computer-Programm-Produkt bzw. einem Programm- Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Software-Programm-Produkt auf einem Rechner oder einem Prozessor abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer- Programm bzw. Software-Programm bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. Der Prozessor kann hierbei von einem Computer, einer Chipkarte (Smart Card) oder einem anderen integrierten Schaltkreis gebildet sein. Further exemplary embodiments provide a method for producing one of the abovementioned devices, which has, for example, the sandwich structure, transparent electrodes and electrical plated-through holes for contacting the electrodes (first electrode 141, top electrode 641, surface electrode 741, etc.). The electrodes 141, 641, 741 are permanently bonded or contacted in a soluble manner. This makes it possible to separate the substrate 120 (glass chip / polymer) and the silicon chip 125 from each other, so that the substrate 120 (with the channel 130) can be replaced after a single or multiple use or different substrates (eg with a meander-shaped structure or decision tree structure) can be placed on a substrate substrate 125 (on a silicon chip with the control / control) as needed. This is particularly possible when the electrodes are part of the substrate substrate 125 and makes the device flexible. Depending on the circumstances, the above embodiments may be implemented in hardware or in software. The implementation can be carried out on a digital storage medium, in particular a floppy disk, CD or DVD with electronically readable control signals, which can interact with a programmable computer system in such a way that the respective method is carried out. In general, the invention thus also consists in a software program product or a computer program product or a program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention, if the software program product is stored on a computer program Computer or a processor expires. In other words, the invention can thus be realized as a computer program or software program or program with a program code for carrying out the method, when the program runs on a processor. The processor can in this case be formed by a computer, a smart card or another integrated circuit.

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Transport einer ersten und zweiten mikrofluidischen Probe (501, 502) mit:1. A device for the simultaneous transport of a first and second microfluidic sample (501, 502) with:
einem Substrat (120);a substrate (120);
einem Kanal (130) , der in dem Substrat (120) ausgebildet ist;a channel (130) formed in the substrate (120);
einer Vielzahl von Elektroden, die an unterschiedlichen Positionen entlang des Kanals (130) angeordnet sind;a plurality of electrodes disposed at different positions along the channel (130);
Sensoren, die jeweils zwischen Elektrodenpaaren von entlang des Kanals benachbarten Elektroden angeordnet sind und ausgelegt sind, um Messungen bezüglich der ersten und zweiten mikrofluidischen Probe (501, 502) durchzuführen;Sensors each disposed between electrode pairs of electrodes adjacent to each other along the channel and configured to perform measurements on the first and second microfluidic samples (501, 502);
einer Regelung (160) zum individuellen Regeln von Spannungsabfällen zwischen den benachbarten Elektroden der Elektrodenpaare in Abhängigkeit von Messergebnissen der Messungen.a controller (160) for individually controlling voltage drops between the adjacent electrodes of the pairs of electrodes as a function of measurement results of the measurements.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Kanal (130) als eine Kapillare oder eine strukturierte Substratoberfläche ausgebildet ist.2. Device according to claim 1, wherein the channel (130) is formed as a capillary or a structured substrate surface.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Vielzahl von Sensoren einen ersten Photosensor (151) aufweisen, der ausgelegt ist einen Zeitpunkt ei- nes Passierens der mikrofluidischen Probe (110) zu erfassen.3. Device according to claim 1 or claim 2, wherein the plurality of sensors comprise a first photosensor (151) which is adapted to a point in time of a passing the microfluidic sample (110).
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, die ferner4. Apparatus according to claim 3, further
einen zweiten Photosensor (152) aufweist und der zweite Photosensor (152) ausgelegt ist, einen weiteren Zeitpunkt eines Passierens der mikrofluidischen Probe (110) an dem zweiten Photosensor (152) zu erfassen; unda second photosensor (152) and the second photosensor (152) is adapted to detect a further time of passing the microfluidic sample (110) on the second photosensor (152); and
eine Auswerteeinheit (220) , die ausgelegt ist aus einer Differenz zwischen dem Zeitpunkt und dem weiteren Zeitpunkt eine Geschwindigkeit der mikrofluidischen Probe (110) zu bestimmen, aufweist.an evaluation unit (220) which is designed to determine a speed of the microfluidic sample (110) from a difference between the time and the further point in time.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der der erste und zweite Photosensor (151, 152) Teil einer Photozeile sind.A device according to claim 4, wherein the first and second photosensors (151, 152) are part of a photo line.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der eine der mikrofluidischen Proben (110) einen Anfang (110a) und ein Ende (11Oe) aufweist, wobei der Anfang (110a) beim Transport vor dem Ende (11Oe) den ersten Photosensor (151) und anschließend den zweiten Photosensor (152) passiert,A device according to claim 4 or claim 5, wherein one of the microfluidic samples (110) has a beginning (110a) and an end (11Oe), the beginning (110a) being transported before the end (11Oe), the first photosensor (110). 151) and then passing the second photosensor (152),
wobei der erste und zweite Photosensor (151, 152) ausgelegt sind, den Zeitpunkt des Passierens mit dem Zeitpunkt des Passierens des Anfangs (110a) der mikrofluidischen Probe (110) zu erfassen. wherein the first and second photosensors (151, 152) are configured to detect the time of passing by the time of passing the start (110a) of the microfluidic sample (110).
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei dem der ersten Photosensor (151) oder zweiten Photosensor (152) ausgebildet sind, ein Zeitintervall zwischen dem Passieren des Anfangs (110a) und des Endes (11Oe) der mikroflu- idischen Probe (110) zu erfassen, und bei der ferner die Auswerteeinheit (220) ausgebildet ist, aus der Zeitdifferenz ein Volumen der mikrofluidischen Probe (110) zu bestimmen.7. The device according to claim 6, wherein the first photosensor (151) or second photosensor (152) is configured to detect a time interval between the passage of the start (110a) and the end (11Oe) of the microfluidic sample (110) , and further wherein the evaluation unit (220) is adapted to determine a volume of the microfluidic sample (110) from the time difference.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, die weitere Photosensoren (153) bis (158) aufweist,8. Apparatus according to claim 7, comprising further photosensors (153) to (158),
wobei zumindest einer der weiteren Photosensoren (153) bis (158) ebenfalls ausgebildet ist das Zeitin- tervall zu erfassen und die Auswerteeinheit (220) ausgebildet ist, eine Änderung des Volumens der mikrofluidischen Probe (110) festzustellen und darüber eine Änderung einer Temperatur der mikrofluidi- schen Probe (110) zu ermitteln.wherein at least one of the further photosensors (153) to (158) is likewise designed to detect the time interval and the evaluation unit (220) is adapted to detect a change in the volume of the microfluidic sample (110) and, above this, a change in a temperature of the microfluid - to determine sample (110).
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Auswerteeinheit (220) ausgebildet ist, die Spannung zwischen den Elektrodenpaaren derart zu ändern, dass die Geschwindigkeit und/oder die Temperatur unterhalb eines Schwellenwertes liegt.9. Apparatus according to claim 8, wherein the evaluation unit (220) is designed to change the voltage between the electrode pairs such that the speed and / or the temperature is below a threshold value.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Temperatursensor aufweist und der Temperatursensor ausgelegt ist, eine Temperatur einer der mikrofluidischen Proben (110) zu ermitteln.10. The device of claim 1, further comprising a temperature sensor and the temperature sensor configured to determine a temperature of one of the microfluidic samples.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Temperatursensor ausgelegt ist, einen Temperaturausgangswert zu ermitteln und bei der die Auswerteeinheit (220) ausgelegt ist, aus der Änderung des Volumens der mikrofluidischen Probe (110) eine Temperaturabweichung von dem Temperaturausgangswert zu ermitteln.11. The device according to claim 10, wherein the temperature sensor is designed, a temperature output value and in which the evaluation unit (220) is designed to determine from the change in the volume of the microfluidic sample (110) a temperature deviation from the temperature output value.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Thermoelement zur Änderung der Temperatur einer der mikrofluidischen Proben (110) aufweist .The apparatus of any one of the preceding claims, further comprising a thermocouple for changing the temperature of one of the microfluidic samples (110).
13. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl der Elektroden ausgelegt sind, eine Geschwindigkeit einer der mikrofluidischen Proben (110) entlang des Kanals (130) zu ändern.13. The device of claim 1, wherein the plurality of electrodes are configured to change a velocity of one of the microfluidic samples along the channel.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der die Regelung14. The apparatus according to claim 13, wherein the control
(160) ausgelegt ist, um Spannungsabfälle zwischen den Elektrodenpaaren derart einzustellen, dass ein Abstand zwischen der ersten mikrofluidischen Probe (501) und der zweiten mikrofluidischen Probe (502) oberhalb eines Schwellenwertes liegt.(160) is adapted to adjust voltage drops between the electrode pairs such that a distance between the first microfluidic sample (501) and the second microfluidic sample (502) is above a threshold value.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Biosensor (531) aufweist, der ausge- legt ist, Inhaltsstoffe und/oder biochemische Eigenschaften der mikrofluidischen Probe (110) zu erfassen.15. Device according to one of the preceding claims, further comprising a biosensor (531) which is designed to detect ingredients and / or biochemical properties of the microfluidic sample (110).
16. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen weiteren Kanalabschnitt aufweist, wobei entlang des weiteren Kanalabschnitts weitere Sensoren jeweils zwischen weiteren Elektrodenpaaren angeordnet sind und die weiteren Sensoren ausgebildet sind, um weitere Messungen bezüglich weiterer mikrofluidischer Proben durchzuführen.16. Device according to one of the preceding claims, further comprising a further channel portion, wherein along the further channel portion further sensors are each arranged between further pairs of electrodes and formed the further sensors are to carry out further measurements with respect to further microfluidic samples.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der Kanal (130) einen Entscheidungsbaum aufweist und die Regelung17. The apparatus of claim 15, wherein the channel (130) comprises a decision tree and the controller
(160) ausgelegt ist, einen Pfad der mikrofluidischen Probe (110) entlang des Entscheidungsbaum in Abhängigkeit erfasster Daten des Biosensors (531) zu bestimmen.(160) is adapted to determine a path of the microfluidic sample (110) along the decision tree in dependence on detected data of the biosensor (531).
18. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kanal (130) eine mäanderförmige Struktur aufweist.18. Device according to one of the preceding claims, wherein the channel (130) has a meandering structure.
19. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl con Elektroden eine erste Elektrode (141) aufweisen und wobei die Vorrichtung ferner eine Topelektrode (641) aufweist und die Topelektrode (641) auf einer der ersten Elektrode (141) gegenüber- liegenden Seiten des Kanals (130) angeordnet ist.19. The device according to claim 1, wherein the plurality of electrodes has a first electrode and the device further comprises a top electrode and the top electrode on a side opposite to the first electrode the channel (130) is arranged.
20. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Regelung (160) in einem Untergrundsubstrat (125) ausgebildet ist, das Substrat (120) einen Kanalbereich (120b) und eine Abdeckschicht (120a) aufweist, so dass der Kanalbereich (120b) zwischen dem Untergrundsubstrat (125) und der Abdeckschicht (120b) angeordnet ist.20. Device according to one of the preceding claims, wherein the controller (160) is formed in a substrate substrate (125), the substrate (120) has a channel region (120b) and a cover layer (120a), such that the channel region (120b) between the under substrate (125) and the cover layer (120b).
21. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der das Untergrundsubstrat (125) lösbar mit Substrat (120) verbunden ist. The apparatus of claim 20, wherein the substrate substrate (125) is detachably connected to substrate (120).
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 19 oder Anspruch 20, bei der eine Oberflächenelektrode (741), die Topelektrode (641) oder die erste Elektrode (141) ein transparentes Material aufweisen.22. The device according to claim 19 or claim 20, wherein a surface electrode (741), the top electrode (641) or the first electrode (141) comprise a transparent material.
23. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Substrat (120) ein transparentes Material aufweist .23. Device according to one of the preceding claims, wherein the substrate (120) comprises a transparent material.
24. Vorrichtung gemäß Ansprüche 23, bei der das Substrat (120) ein Polymer oder Glas und/oder das Untergrundsubstrat (125) Silizium aufweist.24. The device of claim 23, wherein the substrate (120) comprises a polymer or glass and / or the sub- strate substrate (125) comprises silicon.
25. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Innenwand des Kanals (130) eine Be- schichtung aufweist und die Beschichtung ausgelegt ist, die Geschwindigkeit der mikrofluidischen Probe25. Device according to one of the preceding claims, in which an inner wall of the channel (130) has a coating and the coating is designed, the speed of the microfluidic sample
(110) zu beeinflussen.(110) influence.
26. Vorrichtung gemäß Anspruch 25, bei der die Beschichtung neutrale hydrophilische Polymere aufweist und/oder eine kovalente Beschichtung aufweist.26. The device according to claim 25, wherein the coating comprises neutral hydrophilic polymers and / or has a covalent coating.
27. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Regelung (160) ferner ausgelegt ist, in den Kanal (130) ein weiteres Mittel einzuführen, wobei das weitere Mittel ausgelegt ist, die Geschwindigkeit und/oder die Temperatur der mikrofluidischen Probe (110) zu ändern.27. Device according to one of the preceding claims, wherein the controller (160) is further adapted to introduce into the channel (130) a further means, wherein the further means is designed, the speed and / or the temperature of the microfluidic sample (110 ) to change.
28. Verfahren zum gleichzeitigen Transport einer ersten und zweiten mikrofluidischen Probe (501, 502) mit: Bereitstellen eines Substrats mit einem Kanal und einer Vielzahl von Elektroden, die an unterschiedlichen Positionen entlang des Kanals (130) angeordnet werden;28. A method for simultaneously transporting a first and second microfluidic sample (501, 502) comprising: Providing a substrate having a channel and a plurality of electrodes disposed at different positions along the channel (130);
Messen von Größen bezüglich der ersten und zweiten mikrofluidischen Probe (501, 502) während des Transports zwischen Elektrodenpaaren von benachbarten E- lektroden; undMeasuring quantities relative to the first and second microfluidic samples (501, 502) during transport between electrode pairs of adjacent electrodes; and
Individuelles Regeln von Spannungsabfällen zwischen den benachbarten Elektroden der Elektrodenpaare in Abhängigkeit der gemessenen Größen.Individual regulation of voltage drops between the adjacent electrodes of the electrode pairs depending on the measured quantities.
29. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum gleichzeitigen Transport einer ersten und zweiten mikrofluidischen Probe (501, 502), mit folgenden Schritten:29. A method for producing a device for the simultaneous transport of a first and second microfluidic sample (501, 502), comprising the following steps:
Bereitstellen eines Substrats (120);Providing a substrate (120);
Bilden eines Kanals (130) in dem Substrat (120);Forming a channel (130) in the substrate (120);
Bilden einer Vielzahl von Elektroden an unterschied- liehen Positionen entlang des Kanals (130);Forming a plurality of electrodes at different positions along the channel (130);
Bilden von Sensoren zwischen Elektrodenpaaren benachbarter Elektroden, wobei die Sensoren ausgelegt sind, um Messungen bezüglich der ersten und zweiten mikrofluidischen Probe (501, 502) durchzuführen; undForming sensors between pairs of electrodes of adjacent electrodes, the sensors being configured to perform measurements on the first and second microfluidic samples (501, 502); and
Bilden einer Regelung (160) zum individuellen Regeln von Spannungsabfällen zwischen den benachbarten E- lektroden der Elektrodenpaare in Abhängigkeit von Messergebnissen der Messungen.Forming a controller (160) for individually regulating voltage drops between the adjacent electric electrodes of the electrode pairs as a function of measurement results of the measurements.
30. Programm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens nach Ansprüche 28 oder Anspruch 29, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. A program code program for carrying out the method of claim 28 or claim 29 when the program is run on a processor.
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