DE102017210725A1

DE102017210725A1 - Microfluidic device and method for processing a biological sample with a cooling chamber

Info

Publication number: DE102017210725A1
Application number: DE102017210725.1A
Authority: DE
Inventors: Tino Frank
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung (100) zur Prozessierung einer chemischen oder biologischen Probe (10) umfassend eine erste Prozessierkammer (111) zur Aufnahme der Probe (10) oder einer Reagenz für die Probe (10) und eine von der ersten Prozessierkammer (111) durch eine erste Membran (131) getrennte erste Kühlkammer (121), wobei die erste Kühlkammer (121) eine endotherm lösliche Substanz (150) zur Kühlung der ersten Prozessierkammer (111) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (500) zum Prozessieren einer chemischen oder biologischen Probe (10) mit einer solchen Vorrichtung (100)The invention relates to a microfluidic device (100) for processing a chemical or biological sample (10) comprising a first processing chamber (111) for receiving the sample (10) or a reagent for the sample (10) and one from the first processing chamber (111 ) by a first membrane (131) separated first cooling chamber (121), wherein the first cooling chamber (121) has an endothermically soluble substance (150) for cooling the first processing chamber (111). Furthermore, the invention relates to a method (500) for processing a chemical or biological sample (10) with such a device (100).

Description

Stand der TechnikState of the art

Mikrofluidische Systeme erlauben die Analyse von kleinen Probenmengen mit einer hohen Sensitivität, wobei durch Automation, Miniaturisierung und Parallelisierung ein schnelles Prozessieren von kleinen Probenmengen in kleinen Volumina möglich ist. Hierbei werden Laborprozesse und Protokolle auf einem mikrofluidischen Chip, kurz Lab-on-a-Chip genannt, zusammengeschaltet. Manche dieser Laborprozesse erfordern dabei ein kurzzeitiges Kühlen von Proben oder Reaktionsgemischen für eine wohldefinierte Prozessdurchführung. Insbesondere bei Antikörperfärbungen in der Immunochemie muss für die Inkubation kurzzeitig das Reaktionsgemisch gekühlt werden, damit nur spezifische kinetische und nicht unspezifische thermodynamische Produkte gebildet werden. Für eine solche Kühlung in mikrofluidischen Systemen sind Peltierelemente wie beispielsweise in DE 102010028012 A1 oder extern gekühlte Fluide eine gängige Lösung.Microfluidic systems allow the analysis of small sample volumes with a high sensitivity, whereby automation, miniaturization and parallelization allow fast processing of small sample volumes in small volumes. Here laboratory processes and protocols are interconnected on a microfluidic chip, called Lab-on-a-Chip for short. Some of these laboratory processes require a short-term cooling of samples or reaction mixtures for well-defined process execution. In particular, in the case of antibody stains in immunochemistry, the reaction mixture must be briefly cooled for incubation so that only specific kinetic and non-specific thermodynamic products are formed. For such cooling in microfluidic systems are Peltier elements such as in DE 102010028012 A1 or externally cooled fluids a common solution.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung einer chemischen oder biologischen Probe umfassend eine erste Prozessierkammer zur Aufnahme der Probe oder einer Reagenz für die Probe. Ferner umfasst die Vorrichtung eine von der ersten Prozessierkammer durch eine erste Membran getrennte erste Kühlkammer, wobei die erste Kühlkammer eine endotherm lösliche Substanz zur Kühlung der ersten Prozessierkammer aufweist.Against this background, the invention relates to a microfluidic device for processing a chemical or biological sample comprising a first processing chamber for receiving the sample or a reagent for the sample. Furthermore, the device comprises a first cooling chamber separated from the first processing chamber by a first membrane, the first cooling chamber having an endothermically soluble substance for cooling the first processing chamber.

Unter einer chemischen oder biologischen Probe kann insbesondere ein Fluid oder Fluidgemisch mit einem oder mehreren zu analysierenden Analyten verstanden werden, insbesondere mit einer oder mehreren chemischen oder biologischen Spezies. Die Probe kann somit flüssig oder gasförmig oder auch in fester Form vorliegen, beispielsweise in gefriergetrockneter Form. Beispielsweise umfasst die Probe eine Körperflüssigkeit wie Blut, Sputum oder einen Abstrich. Für die Prozessierung kann die Probe auch Substanzen für eine chemische oder biologische Reaktion mit dem Analyten umfassen. Unter einer Probe kann somit auch ein Reaktionsgemisch verstanden werden, beispielsweise die Probe umfassend ein oder mehrere Reagenzien für eine Prozessierung der Probe. Unter einer Reagenz für die Probe kann insbesondere ein Stoff, ein Stoffgemisch oder eine Substanz verstanden werden, welcher beziehungsweise welches oder welche für eine Prozessierung der Probe verwendet werden. Bei der Prozessierung der Probe kann es sich beispielsweise um eine Analyse von in der Probe enthaltenen Substanzen oder Analyten handeln. Unter einer Prozessierkammer kann insbesondere eine Kammer oder Ausnehmung zur Durchführung einer chemischen oder biologischen Reaktion mit der Probe oder mit der Reagenz für die Probe verstanden werden. Die Prozessierkammer kann dabei auch einen Teil oder Abschnitt eines Fluidkanals der Vorrichtung 100 bilden. Unter einer Membran kann insbesondere eine Schicht, Folie oder insbesondere dünne Wand, beispielsweise umfassend ein oder mehrere Kunststoffe, verstanden werden. Unter einer Kühlkammer kann eine Kammer oder Ausnehmung zur Aufnahme der endotherm löslichen Substanz verstanden werden. Unter einer endotherm löslichen Substanz kann insbesondere eine feste oder flüssige Substanz, insbesondere ein Stoff oder ein Stoffgemisch, verstanden werden, welche sich in einer Flüssigkeit unter Wärmeaufnahme löst und somit der Umgebung Wärme entzieht und dadurch die Umgebung kühlt. Bei der endotherm löslichen Substanz kann es sich insbesondere um ein endotherm lösliches Salz handeln. Zur Lösung der Substanz kann eine geeignete Flüssigkeit verwendet werden, beispielsweise Wasser bei endotherm löslichen Salz.A chemical or biological sample may, in particular, be understood as meaning a fluid or fluid mixture having one or more analytes to be analyzed, in particular with one or more chemical or biological species. The sample can thus be liquid or gaseous or else in solid form, for example in freeze-dried form. For example, the sample comprises a body fluid such as blood, sputum or a swab. For processing, the sample may also include substances for a chemical or biological reaction with the analyte. A sample can thus also be understood to mean a reaction mixture, for example the sample comprising one or more reagents for processing the sample. A reagent for the sample may, in particular, be understood as meaning a substance, a substance mixture or a substance which or which or which are used for processing the sample. The processing of the sample can be, for example, an analysis of substances or analytes contained in the sample. A processing chamber may, in particular, be understood as meaning a chamber or recess for carrying out a chemical or biological reaction with the sample or with the reagent for the sample. The processing chamber can also be a part or section of a fluid channel of the device 100 form. Under a membrane, in particular a layer, film or in particular thin wall, for example comprising one or more plastics, are understood. Under a cooling chamber, a chamber or recess for receiving the endothermically soluble substance can be understood. An endothermically soluble substance may, in particular, be understood as meaning a solid or liquid substance, in particular a substance or a substance mixture, which dissolves in a liquid while absorbing heat and thus extracts heat from the environment, thereby cooling the environment. The endothermically soluble substance may in particular be an endothermically soluble salt. To dissolve the substance, a suitable liquid may be used, for example water in the case of an endothermically soluble salt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine Kühlfunktion in der mikrofluidischen Vorrichtung bereitgestellt werden kann, ohne dass die mikrofluidische Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen dafür stark abgeändert werden muss. Es sind lediglich die Kühlkammer mit der Membran und ein Zugang in die Kühlkammer für ein Einleiten einer Flüssigkeit zum Starten der endothermischen Reaktion mit der endotherm löslichen Substanz bereitzustellen. Die Membran als flüssigkeitsundurchlässige Trennmembran verhindert dabei vorteilhafterweise, dass bei einer Lösung der Substanz keine Flüssigkeit in die erste Prozessierkammer gelangen kann. Ferner ist vorteilhafterweise keine externe Kühlquelle erforderlich und somit eine kompakte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, insbesondere auch für einen Einsatz außerhalb von Laborräumlichkeiten oder für einen Einsatz als unkomplizierten Schnelltest. Ferner ist von Vorteil, dass aufgrund der endothermen Reaktion keine Wärme beim Abkühlungsprozess aus der Vorrichtung abgeführt werden muss. Vorteilhafterweise kann die endotherm lösliche Substanz in der Kühlkammer trocken und robust vorgelagert werden. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass das Ausmaß der Kühlwirkung über die Art und Menge der endotherm löslichen Substanz sowie über die Art und Menge der mit der Substanz reagierenden Flüssigkeit auf einfache Art und Weise gesteuert werden kann. Insbesondere können durch einen solchen Kühlprozess typische molekularbiologische Experimente spezifischer in Bezug auf eine kinetische Produktebildung durchgeführt werden, beispielsweise können insbesondere Antikörperfärbungen und in-situ-Hybridisationen wie zum Beispiel fluoreszente insitu Hybridisierung, kurz „FISH“ für Fluorescent Insitu Hybridisierung, ermöglicht werden.The device according to the invention has the advantage that a cooling function can be provided in the microfluidic device without the microfluidic device having to be greatly modified in comparison with known devices for this purpose. It is only necessary to provide the cooling chamber with the membrane and access into the cooling chamber for introducing a liquid to start the endothermic reaction with the endothermically soluble substance. The membrane as a liquid-impermeable separation membrane advantageously prevents that in a solution of the substance no liquid can get into the first processing chamber. Furthermore, advantageously no external cooling source is required and thus a compact design of the device according to the invention is possible, in particular also for use outside of laboratory premises or for use as an uncomplicated rapid test. Furthermore, it is advantageous that, due to the endothermic reaction, no heat has to be removed from the device during the cooling process. Advantageously, the endothermically soluble substance in the cooling chamber can be stored dry and robust. In addition, it is advantageous that the extent of the cooling effect can be controlled in a simple manner via the type and amount of the endothermically soluble substance as well as the type and amount of the liquid reacting with the substance. In particular, by means of such a cooling process, typical molecular biological experiments can be carried out more specifically with respect to a kinetic product formation; for example, in particular antibody stains and in-situ hybridizations, such as For example, fluorescent in situ hybridization, "FISH" for fluorescent in situ hybridization, may be used.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste Prozessierkammer mit einer zweiten Prozessierkammer der Vorrichtung fluidisch verbunden, wobei die zweite Prozessierkammer durch eine zweite Membran von einer zweiten Kühlkammer getrennt ist. Vorzugsweise weist die zweite Kühlkammer eine endotherm lösliche Substanz zur Kühlung der zweiten Prozessierkammer auf. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, mehrere Prozessschritte in verschiedenen Kammern unter gekühlten Bedingungen durchzuführen. Die Vorrichtung kann dazu weitere Prozessierkammern aufweisen, welche jeweils über eine Membran von einer Kühlkammer mit einer endotherm löslichen Substanz getrennt sind.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the first processing chamber is fluidically connected to a second processing chamber of the device, wherein the second processing chamber is separated by a second membrane from a second cooling chamber. The second cooling chamber preferably has an endothermically soluble substance for cooling the second processing chamber. This advantageously makes it possible to carry out several process steps in different chambers under cooled conditions. The device may for this purpose have further processing chambers, which are each separated via a membrane from a cooling chamber with an endothermically soluble substance.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Prozessierkammer eine erste Reaktionssubstanz, insbesondere erste Antikörper, zur Bindung an Analyten, insbesondere Zellen oder Proteinen, der Probe auf. Diese Vorlagerung der ersten Reaktionssubstanz hat den Vorteil, dass die Probe nach Eintreten in die erste Prozessierkammer unmittelbar mit der ersten Reaktionssubstanz in Kontakt treten und reagieren kann, wobei die Kühlung über das Einleiten einer Flüssigkeit in die Kühlkammer bereits davor oder erst danach ausgelöst werden kann. Insbesondere kann durch einen Ablauf der Reaktion der Reaktionssubstanz mit der Probe unter kühlen Temperaturen vorteilhafterweise eine spezifische Bindung zwischen der ersten Reaktionssubstanz, insbesondere den ersten Antikörpern, und der Probe, insbesondere den darin enthaltenen Analyten unterstützt werden.In a preferred embodiment of the invention, the first processing chamber has a first reaction substance, in particular first antibodies, for binding to analytes, in particular cells or proteins, of the sample. This pre-storage of the first reaction substance has the advantage that after entering the first processing chamber, the sample can directly contact and react with the first reaction substance, wherein the cooling can be triggered by introducing a liquid into the cooling chamber before or only after that. In particular, by a sequence of the reaction of the reaction substance with the sample under cool temperatures, advantageously a specific binding between the first reaction substance, in particular the first antibody, and the sample, in particular the analyte contained therein, can be supported.

Gemäß einer weiteren bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Prozessierkammer eine zweite Reaktionssubstanz, insbesondere zweite Antikörper, zur Bindung an Analyten, insbesondere Zellen oder Proteinen, der Probe auf. Beispielsweise dient die Bindung der zweiten Reaktionssubstanz, insbesondere der zweiten Antikörper, einer nachfolgenden Detektion von damit gebundenen Analyten der Probe, also insbesondere einer Anfärbung der Analyten.In accordance with a further preferred further embodiment of the invention, the second processing chamber has a second reaction substance, in particular second antibody, for binding to analytes, in particular cells or proteins, of the sample. For example, the binding of the second reaction substance, in particular of the second antibody, serves for a subsequent detection of analytes of the sample bound thereto, that is to say in particular of a staining of the analytes.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine weitere an die erste Prozessierkammer angrenzende Kühlkammer auf. Vorzugsweise umfasst die weitere Kühlkammer auch eine endotherm löslich Substanz zur Kühlung der Prozessierkammer. Dadurch kann die Prozessierkammer vorteilhafterweise von zwei Seiten gekühlt werden, wodurch eine homogenere Kühlung erreicht wird. Bei Einstellung einer unterschiedlich starken Kühlwirkung, beispielsweise durch unterschiedliche Arten oder Mengen der endotherm löslichen Substanzen oder in die Kühlkammer eingeleiteten Flüssigkeiten, kann darüber hinaus vorteilhafterweise ein Temperaturgradient in der Prozessierkammer eingestellt werden, beispielweise für ein Hervorrufen einer Konvektionsströmung in der Prozessierkammer. In a particularly advantageous development of the invention, the device has a further cooling chamber adjoining the first processing chamber. Preferably, the further cooling chamber also comprises an endothermically soluble substance for cooling the processing chamber. As a result, the processing chamber can advantageously be cooled from two sides, as a result of which a more homogeneous cooling is achieved. When setting a different strong cooling effect, for example, by different types or amounts of endothermic substances or liquids introduced into the cooling chamber, moreover, advantageously a temperature gradient can be adjusted in the processing chamber, for example, for inducing a convection in the processing chamber.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umschließt die erste Prozessierkammer die erste Kühlkammer zumindest teilweise. Dies hat den Vorteil, dass ein in der ersten Kühlkammer stattfindender isotroper Wärmeentzug vorteilhafterweise effektiv ausgenutzt werden kann. Ferner ist von Vorteil, dass hierdurch keine anderen Teile der Vorrichtung unerwünschter Weise gekühlt werden.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the first processing chamber encloses the first cooling chamber at least partially. This has the advantage that advantageously an isotropic removal of heat taking place in the first cooling chamber can be utilized effectively. Furthermore, it is advantageous that as a result no other parts of the device are undesirably cooled.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung in Form eines Schichtaufbaus ausgebildet, wobei die erste Prozessierkammer eine Ausnehmung in einer ersten Schicht und die erste Kühlkammer eine Ausnehmung in einer durch die erste Membran getrennten zweiten Schicht bildet. Ein Schichtaufbau zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstellung aus. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung basierend auf bekannten Schichtaufbauten umfassend einen pneumatischen Layer und einen fluidischen Layer realisiert werden. Die erste Schicht bildet dabei einen Teil des fluidischen Layers, während die zweite Schicht umfassend die Kühlkammer entweder als Teil des pneumatischen Layer oder als Teil eines weiteren Layers, genannt thermischer Layer, realisiert werden kann.In a preferred embodiment of the invention, the device is designed in the form of a layer structure, wherein the first processing chamber forms a recess in a first layer and the first cooling chamber forms a recess in a second layer separated by the first membrane. A layer structure is characterized by a particularly simple production. Advantageously, the device according to the invention can be realized based on known layer structures comprising a pneumatic layer and a fluidic layer. The first layer forms part of the fluidic layer, while the second layer comprising the cooling chamber can be realized either as part of the pneumatic layer or as part of a further layer, called a thermal layer.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Prozessieren einer biologischen Probe mit einer mikrofluidischen Vorrichtung, wobei die Probe in eine erste Prozessierkammer eingebracht wird, wobei in einer durch eine erste Membran getrennten ersten Kühlkammer eine endothermisch lösliche Substanz mit einer ersten Flüssigkeit für eine Kühlung der ersten Prozessierkammer aufgrund einer endothermischen Reaktion der Substanz mit der ersten Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird.The invention also provides a method for processing a biological sample with a microfluidic device, wherein the sample is introduced into a first processing chamber, wherein in a first cooling chamber separated by a first membrane an endothermically soluble substance with a first liquid for cooling the first Processing chamber is brought into contact due to an endothermic reaction of the substance with the first liquid.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der folgenden vorteilhaften Weiterbildung wird auch auf die oben ausgeführten korrespondierenden Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.For the advantages of the method according to the invention and the following advantageous development, reference is also made to the above-mentioned corresponding developments and refinements of the device according to the invention.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Probe in der ersten Prozessierkammer mit einer ersten Reaktionssubstanz, insbesondere mit ersten Antikörpern, für eine Reaktion unter Kühlung durch die erste Kühlkammer in Kontakt gebracht. Durch die Kühlung wird vorteilhafterweise eine wohldefinierte Reaktion der Probe, insbesondere von Analyten in der Probe, mit der ersten Reaktionssubstanz unterstützt. Insbesondere kann durch eine Steuerung der Kühlung einer Steuerung der Reaktion bewirkt werden.In a particularly advantageous development of the method according to the invention, the sample in the first processing chamber is brought into contact with a first reaction substance, in particular with first antibodies, for a reaction under cooling by the first cooling chamber. By cooling is advantageously a well-defined Reaction of the sample, in particular analytes in the sample, supported with the first reaction substance. In particular, by controlling the cooling, a control of the reaction can be effected.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.Embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and explained in more detail in the following description. The same reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of the elements is dispensed with.

Es zeigen

1 bis 6 schematische Darstellungen zu Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
7 ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Show it

1 to 6 schematic representations of embodiments of the device according to the invention and
7 a flowchart for an embodiment of the method according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Prozessierkammer 111 zur Aufnahme einer biologischen Probe oder einer Reagenz für die Probe und eine von der ersten Prozessierkammer 111 durch eine erste Membran 131 getrennte erste Kühlkammer 121, wobei die erste Kühlkammer 121 eine endotherm lösliche Substanz 150 zur Kühlung der ersten Prozessierkammer 111 aufweist. Bei der Vorrichtung 100 kann es sich insbesondere um eine mikrofluidische Vorrichtung zur Prozessierung einer biologischen Probe handeln, beispielsweise für eine Analyse der Probe. Beispielsweise umfasst die Probe eine Körperflüssigkeit wie Blut, Sputum oder einen Abstrich. Für die Prozessierung kann die Probe auch Substanzen für eine chemische oder biologische Reaktion mit dem Analyten umfassen. Als Probe kann somit auch ein Reaktionsgemisch verstanden werden, welches insbesondere eine zu untersuchende Probe gemeinsam mit Substanzen für eine Reaktion mit der Probe umfasst. Bei der endotherm löslichen Substanz 150 kann sich insbesondere um ein sich endotherm lösendes Salz handeln, beispielsweise um einen Calciumchlorid-Hexahydrat-Komplex, kurz CaCl₂·6H₂O, Aluminiumnitrat oder einen Aluminium-Trichlorid-Hexahydrat Komplex. Als Materialien für die Wände der Prozessierkammer 111 und der Kühlkammer 121 eignen sich für Lab-on-a-Chip-Systeme übliche Kunststoffe, insbesondere Thermoplaste, beispielsweise Polycarbonate (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Cyclo-Olefin-Copolymere (COC, COP), mit einer vorzugsweisen Dicke von 0,5 bis 5 mm. Die erste Membran 131 kann als 0,005 bis 0,3 mm dicke Polymermembran ausgeführt sein und beispielsweise ein Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer wie beispielsweise thermoplastisches Polyurethan, ein Thermoplast, Polydimethylsiloxan oder eine Heißklebefolie umfassen. Ein Verbinden der ersten Membran 131 mit der Vorrichtung 100 kann dabei insbesondere über Laserschweißen erfolgen. Die Volumina der Prozessierkammer 111 und der Kühlkammer 121 können in der Mikrofluidik übliche Größen aufweisen, beispielsweise zwischen 0,005 und 50 Milliliter. Die erste Prozessierkammer 111 kann auch einen Teil oder Abschnitt eines Fluidkanals in der Vorrichtung 100 darstellen. 1 and 2 show a first embodiment of the microfluidic device according to the invention 100 , The device 100 includes a first processing chamber 111 for receiving a biological sample or a reagent for the sample and one of the first processing chamber 111 through a first membrane 131 separate first cooling chamber 121 , wherein the first cooling chamber 121 an endothermic soluble substance 150 for cooling the first processing chamber 111 having. In the device 100 it may in particular be a microfluidic device for processing a biological sample, for example for an analysis of the sample. For example, the sample comprises a body fluid such as blood, sputum or a swab. For processing, the sample may also include substances for a chemical or biological reaction with the analyte. Thus, a sample can also be understood as meaning a reaction mixture which in particular comprises a sample to be investigated together with substances for a reaction with the sample. In the case of the endothermically soluble substance 150 In particular, it can be an endothermically dissolving salt, for example a calcium chloride-hexahydrate complex, in short CaCl ₂ .6H ₂ O, aluminum nitrate or an aluminum trichloride hexahydrate complex. As materials for the walls of the processing chamber 111 and the cooling chamber 121 Plastics which are customary for lab-on-a-chip systems are suitable, in particular thermoplastics, for example polycarbonates (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polymethyl methacrylate (PMMA) or cyclo-olefin copolymers (COC, COP), with a preferred thickness of 0.5 to 5 mm. The first membrane 131 may be embodied as a 0.005 to 0.3 mm thick polymer membrane and comprise, for example, an elastomer, a thermoplastic elastomer such as, for example, thermoplastic polyurethane, a thermoplastic, polydimethylsiloxane, or a heat-sealable film. A connection of the first membrane 131 with the device 100 can be done in particular via laser welding. The volumes of the processing chamber 111 and the cooling chamber 121 can be of customary size in microfluidics, for example between 0.005 and 50 milliliters. The first processing chamber 111 may also be a portion or portion of a fluid channel in the device 100 represent.

In der 2a ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit der bereits in der ersten Kühlkammer 121 vorgelagerten endotherm löslichen Substanz 150 dargestellt. In 2b ist zu sehen, wie die erste Prozessierkammer 111 mit der Probe 10 gefüllt ist und 2c zeigt, wie anschließend die erste Kühlkammer 121 mit einer Flüssigkeit 20 für ein Lösen der Substanz 150 gefüllt worden ist, so dass eine Kühlung der Probe 10 in der ersten Prozessierkammer 111 durch die erste Membran 131 erfolgen kann.In the 2a is the device according to the invention 100 with the already in the first cooling chamber 121 upstream endothermic soluble substance 150 shown. In 2 B you can see how the first processing chamber 111 with the sample 10 is filled and 2c shows how subsequently the first cooling chamber 121 with a liquid 20 for a release of the substance 150 has been filled, allowing a cooling of the sample 10 in the first processing chamber 111 through the first membrane 131 can be done.

3a bis d zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, wobei die erste Prozessierkammer 111 mit einer zweiten Prozessierkammer 112 der Vorrichtung 100 fluidisch verbunden ist, optional über ein verschließbares Ventil 161, und wobei die zweite Prozessierkammer 112 durch eine zweite Membran 132 von einer zweiten Kühlkammer 122 getrennt ist. Die Prozessierkammern 111, 112, Kühlkammern 121, 122 und Membranen 131, 132 können dabei wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. 3a to d show a further embodiment of the device according to the invention 100 , wherein the first processing chamber 111 with a second processing chamber 112 the device 100 fluidly connected, optionally via a closable valve 161 , and wherein the second processing chamber 112 through a second membrane 132 from a second cooling chamber 122 is disconnected. The processing chambers 111 . 112 , Cooling chambers 121 . 122 and membranes 131 . 132 can be executed as in the first embodiment.

In beiden Kühlkammern 121, 122 dieses Ausführungsbeispiels ist jeweils eine endotherm lösliche Substanz 150, 151 vorgelagert. 3a zeigt, dass in der ersten Prozessierkammer 111 eine erste Substanz 171 vorgelagert sein kann, beispielsweise erste Antikörper 171 für eine Bindung an Analyten der Probe. Beispielsweise kann diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Färbung von Proteinen oder Zellen einer biologischen Probe verwendet werden.In both cooling chambers 121 . 122 This embodiment is in each case an endothermically soluble substance 150 . 151 upstream. 3a shows that in the first processing chamber 111 a first substance 171 may be upstream, for example, first antibody 171 for binding to analytes of the sample. For example, this embodiment of the device according to the invention can be used for staining proteins or cells of a biological sample.

3b bis 3d zeigen einen beispielhaften Ablauf eines solchen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. In 3b befindet sich die Probe 10 bereits ein der ersten Prozessierkammer 111. Die Probe 10 kann dabei bereits vorprozessiert worden sein, beispielsweise kann eine Waschung und/oder Detergentienbehandlung der Probe 10 vor dem Einleiten in die erste Prozessierkammer 111 erfolgt sein, vorzugsweise in anderen Kammern der Vorrichtung 100. Ferner ist in 3b gezeigt, dass die erste Kühlkammer 121 mit einer ersten Flüssigkeit 21 geflutet ist, um die Kühlreaktion mit der dort gelagerten endotherm löslichen Substanz 150 zu bewirken. Während sich die Substanz 150, beispielsweise wie oben ausgeführt ein endotherm lösliches Salz, endotherm löst, wird über die erste Membran 131 die Probe 10 abgekühlt, so dass eine spezifische Bindung der Antikörper 171 mit Analyten der Probe 10 wohldefiniert erfolgen kann. Für die spezifische Bindung sind die vorgelagerten Antikörper 171 auf die zu bindenden Analyten der Probe 10 abgestimmt. 3c zeigt, wie nach einer vorgegebenen Zeitspanne, also nach einer vorgegebenen Inkubationszeit, die Probe 10 mit den Antikörpern 171 über das geöffnete Ventil 161 in die zweite Prozessierkammer 112 befördert wird, wobei sich in der zweiten Prozessierkammer 112 eine weitere vorgelagerte Substanz 172, insbesondere zweite Antikörper 172, befinden. In 3d ist dargestellt, wie sowohl die zweite Prozessierkammer 112 mit der Probe 10 samt Antikörper 171, 172 gefüllt als auch die zweite Kühlkammer 122 mit einer zweiten Flüssigkeit 22 geflutet ist, um die zweite Prozessierkammer 112 für eine Reaktion, insbesondere eine Bindung, der Probe 10 mit den zweiten Antikörpern 172 zu kühlen. 3b to 3d show an exemplary sequence of such a method with the device according to the invention 100 , In 3b is the sample 10 already one of the first processing chambers 111 , The sample 10 it may already have been preprocessed, for example, a washing and / or detergent treatment of the sample 10 before entering the first processing chamber 111 be done, preferably in other chambers of the device 100 , Furthermore, in 3b shown that the first cooling chamber 121 with a first liquid 21 is flooded to the cooling reaction with the stored there endothermic substance 150 to effect. While the substance is 150 For example, as stated above, an endothermically soluble salt dissolves endothermically via the first membrane 131 the sample 10 cooled, allowing a specific binding of the antibody 171 with analyte of the sample 10 can be well-defined. For the specific binding are the upstream antibodies 171 on the analytes to be bound to the sample 10 Voted. 3c shows how after a predetermined period of time, so after a predetermined incubation time, the sample 10 with the antibodies 171 over the open valve 161 in the second processing chamber 112 is transported, wherein in the second processing chamber 112 another upstream substance 172 , in particular second antibodies 172 , are located. In 3d is shown as both the second processing chamber 112 with the sample 10 including antibodies 171 . 172 filled as well as the second cooling chamber 122 with a second liquid 22 is flooded to the second processing chamber 112 for a reaction, in particular a binding, of the sample 10 with the second antibodies 172 to cool.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, welches sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch eine weitere an die erste Prozessierkammer 111 angrenzende Kühlkammer 122 unterscheidet. Die erste Prozessierkammer 111 ist somit von der ersten Kühlkammer 121 durch eine erste Membran 131 und von der weiteren Kühlkammer 122 durch eine zweite Membran 132 getrennt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine homogene Kühlung der ersten Prozessierkammer 111 von zwei Seiten. Ferner kann bei Bedarf ein Temperaturgradient in der ersten Prozessierkammer 111 durch Einstellung einer unterschiedlich starken Kühlwirkung, beispielsweise durch unterschiedliche Arten oder Mengen der endotherm löslichen Substanzen oder in die Kühlkammer eingeleiteten Flüssigkeiten, in den beiden Kühlkammern 121, 122 bewirkt werden. 4 shows a further embodiment of the device according to the invention 100 , which differs from the first embodiment according to 1 through another to the first processing chamber 111 adjacent cooling chamber 122 different. The first processing chamber 111 is thus from the first cooling chamber 121 through a first membrane 131 and from the further cooling chamber 122 through a second membrane 132 separated. This advantageously allows a homogeneous cooling of the first processing chamber 111 from two sides. Further, if necessary, a temperature gradient in the first processing chamber 111 by setting a different strong cooling effect, for example, by different types or amounts of endothermic substances or liquids introduced into the cooling chamber, in the two cooling chambers 121 . 122 be effected.

Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Querschnitt der in Form eines dreidimensionalen Schichtaufbaus ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Die erste Prozessierkammer 111 bildet eine Ausnehmung 111 in einer ersten Schicht 101 und die erste Kühlkammer 121 eine Ausnehmung 121 in einer durch die erste Membran 131 getrennten zweiten Schicht 101. Die erste Schicht 101 stellt dabei einen Teil des fluidischen Layers der Vorrichtung 100 dar, in welchem die in der Mikrofluidik typischen Abläufe und chemischen Prozesse ablaufen können. Bei der zweiten Schicht 102 kann es sich insbesondere um einen thermischen Layer handeln, welcher die erste Kühlkammer 131 und gegebenenfalls weitere Kühlkammern sowie optional weitere Kühl- oder Wärmefunktionalitäten umfasst, beispielsweise weitere Flüssigkeiten oder Kühlmittel. Alternativ kann die erste Kühlkammer 121 auch im pneumatischen Layer, auch Kontrolllayer genannt, angeordnet sein. Wie in 5 dargestellt, kann die erste Kühlkammer 121 an einer zu kühlenden Stelle durch die erste Membran 131 von der ersten Schicht 101, insbesondere von der ersten Prozessierkammer 111, getrennt sein. Durch eine Flutung des thermischen Layers kann somit die Kühlung ausgelöst werden. 5 zeigt dabei die Vorrichtung 100 in einem Zustand, in welchem die erste Prozessierkammer 111 mit einer Probe 10 vollständig gefüllt und die erste Kühlkammer 121 mit einer ersten Flüssigkeit 21 bereits geflutet ist.This in 5 illustrated embodiment shows a cross section of the device according to the invention in the form of a three-dimensional layer structure 100 , The first processing chamber 111 forms a recess 111 in a first shift 101 and the first cooling chamber 121 a recess 121 in one through the first membrane 131 separate second layer 101 , The first shift 101 in this case forms a part of the fluidic layer of the device 100 in which the processes and chemical processes typical in microfluidics can take place. At the second layer 102 it may in particular be a thermal layer, which is the first cooling chamber 131 and optionally further cooling chambers and optionally further cooling or heat functionalities, for example, further liquids or coolants. Alternatively, the first cooling chamber 121 also in the pneumatic layer, also called control layer, be arranged. As in 5 shown, the first cooling chamber 121 at a location to be cooled through the first membrane 131 from the first layer 101 , in particular from the first processing chamber 111 , be separated. By flooding the thermal layer thus cooling can be triggered. 5 shows the device 100 in a state in which the first processing chamber 111 with a sample 10 completely filled and the first cooling chamber 121 with a first liquid 21 already flooded.

6a und 6b zeigen beispielhaft in einem Querschnitt beziehungsweise in einer Draufsicht, wie die erste Schicht 101, also der fluidische Layer, und die zweite Schicht 101 mit der ersten Kühlkammer dreidimensional ineinander integriert werden können. Wie im Ausführungsbeispiel zu 4 gezeigt, können sich Prozessierkammer 111 und Kühlkammer 121 gegenseitig umschließen, in diesem Beispiel umschließt die erste Prozessierkammer die erste Kühlkammer, wie in 6a dargestellt. In 6b ist gezeigt, wie eine Unterseite der ersten Kühlkammer 121 flächenmäßig an eine Oberseite der ersten Prozessierkammer 111 angepasst sein kann, im diesem Beispiel in Form einer kreisförmig abgeschlossenen Fläche. 6a and 6b show by way of example in a cross section and in a plan view, as the first layer 101 , ie the fluidic layer, and the second layer 101 can be integrated with each other in three dimensions with the first cooling chamber. As in the embodiment too 4 shown, can process chamber 111 and cooling chamber 121 enclose each other, in this example, the first processing chamber encloses the first cooling chamber, as in 6a shown. In 6b is shown as a bottom of the first cooling chamber 121 in terms of area to an upper side of the first processing chamber 111 may be adapted, in this example in the form of a circular closed surface.

7 zeigt ein Flussdiagramm 500 zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 500 zum Prozessieren einer biologischen Probe 10 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 100, beispielsweise mit einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. In einem ersten Schritt 501 des Verfahrens 500 wird die Probe 10 in die erste Prozessierkammer 111 eingebracht. In einem zweiten Schritt 502 wird in der durch die erste Membran 131 getrennten ersten Kühlkammer 121 die endothermisch lösliche Substanz 150 mit der ersten Flüssigkeit 20 für eine Kühlung der ersten Prozessierkammer 111 aufgrund einer endothermischen Reaktion der Substanz 150 mit der Flüssigkeit 20 in Kontakt gebracht. Alternativ kann der zweite Schritt 502 vor oder gleichzeitig mit dem ersten Schritt 501 erfolgen, insbesondere um die erste Prozessierkammer 111 vorzukühlen. In einem optionalen dritten Schritt 503 wird die Probe 10 in eine mit der ersten Prozessierkammer 111 fluidisch verbunden zweiten Prozessierkammer 112 der Vorrichtung 100 befördert, beispielsweise in einer Vorrichtung 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3. In einem optionalen vierten Schritt 504 wird die durch eine zweite Membran 132 von der zweiten Prozessierkammer 112 getrennte zweite Kühlkammer 122 mit einer zweiten Flüssigkeit 20 gefüllt, um eine Kühlreaktion mit einer in der zweiten Kühlkammer 122 gelagerten endotherm löslichen Substanz 151 auszulösen. Der vierte Schritt 504 kann dabei auch vor oder gleichzeitig mit dem dritten Schritt 503 ausgeführt werden. 7 shows a flowchart 500 to an embodiment of the method according to the invention 500 for processing a biological sample 10 with a microfluidic device 100 , For example, with one of the above-described embodiments of the device according to the invention 100 , In a first step 501 of the procedure 500 will be the sample 10 in the first processing chamber 111 brought in. In a second step 502 gets in through the first membrane 131 separate first cooling chamber 121 the endothermic soluble substance 150 with the first liquid 20 for cooling the first processing chamber 111 due to an endothermic reaction of the substance 150 with the liquid 20 brought into contact. Alternatively, the second step 502 before or at the same time as the first step 501 take place, in particular around the first processing chamber 111 pre-cool. In an optional third step 503 will be the sample 10 in one with the first processing chamber 111 fluidically connected second processing chamber 112 the device 100 transported, for example in a device 100 according to the embodiment of the 3 , In an optional fourth step 504 which is through a second membrane 132 from the second processing chamber 112 separate second cooling chamber 122 with a second liquid 20 filled to one cooling reaction with one in the second cooling chamber 122 stored endothermic soluble substance 151 trigger. The fourth step 504 You can also do this before or at the same time as the third step 503 be executed.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010028012 A1 [0001]

Claims

A microfluidic device (100) for processing a chemical or biological sample (10) comprising a first processing chamber (111) for receiving the sample (10) or reagent for the sample (10) and one from the first processing chamber (111) through a first Membrane (131) separate first cooling chamber (121), wherein the first cooling chamber (121) has an endothermically soluble substance (150) for cooling the first processing chamber (111).

Microfluidic device (100) according to Claim 1 wherein the first processing chamber (111) is fluidly connected to a second processing chamber (112) of the apparatus, the second processing chamber (112) being separated from a second cooling chamber (122) by a second membrane (132).

Microfluidic device (100) according to Claim 2 wherein the second cooling chamber (122) comprises an endothermically soluble substance (151) for cooling the second processing chamber (112).

Microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, wherein the first processing chamber (111) has a first reaction substance (171), in particular first antibody (171), for binding to analytes, in particular cells or proteins, of the sample (10).

Microfluidic device (100) according to one of Claims 2 to 4 wherein the second processing chamber (112) comprises a second reaction substance (172), in particular second antibody (172), for binding to analytes, in particular cells or proteins, of the sample (10).

The microfluidic device (100) of any one of the preceding claims, wherein the device (100) includes a further cooling chamber (122) adjacent to the first processing chamber (111).

The microfluidic device (100) of any one of the preceding claims, wherein the first processing chamber (111) at least partially encloses the first cooling chamber (121).

The microfluidic device (100) according to one of the preceding claims, wherein the device (100) is in the form of a layer structure, wherein the first processing chamber (111) has a recess (111) in a first layer (101) and the first cooling chamber (121). forming a recess (121) in a second layer (102) separated by the first membrane.

Method (500) for processing a chemical or biological sample (10) with a microfluidic device (100), wherein the sample (10) or a reagent for the sample (10) is introduced into a first processing chamber (111) an endothermically soluble substance (150) having a first liquid (20) for cooling the first processing chamber (111) due to an endothermic reaction of the substance (150) with the first liquid by a first membrane (131) separated first cooling chamber (121) 20) is brought into contact.

Method (500) Claim 9 in that the sample (10) in the first processing chamber (111) is brought into contact with a first reaction substance (171), in particular with first antibodies (171), for a reaction under cooling by the first cooling chamber (121).